Brevet FR2651385A1 — publié le 19910301

DISPOSITIF A LASER SELON LE PRINCIPE DU TRANSPORT DES GAZ La présente invention concerne un dispositif à laser selon le principe du transport des gaz, comportant un résonateur à laser et des systèmes de circulation du gaz, de refroidissement et d'excitation, un compresseur radial avec une entrée et deux sorties, un diffuseur et des déflecteurs de gaz étant prévus pour la circulation du gaz, le résonateur à laser comportant au moins un tube laser qui se compose de deux tubes longitudinaux, le gaz étant envoyé aux extrémités du tube laser et aspiré, dans la région centrale, à l'aide du compresseur radial, et le diffuseur du compresseur radial étant directement relié aux sorties auxquelles se raccordent des refroidisseurs. On connaît un dispositif à laser de ce type, par exemple par le document EP 0111045. L'expérimentation pratique de ce dispositif connu a montré que la puissance de sortie du laser est relativement faible, par rapport à l'ensemble de son volume de construction. Le laser à transport de gaz, décrit dans le document DE-OS 36 43 735, dans lequel l'axe du tube laser est perpendiculaire à l'axe du ventilateur radial et à la direction de l'écoulement du gaz dans le refroidisseur et de l'arrivée du gaz, n'a pas été en mesure de produire la puissance théorique annoncée, par rapport au volume de construction du laser. Par la communication du Dr. B. Stein "Lasertechnik und Lasertechnologie", Militârtechnik 3/89, pages 149 et suivantes, on connaît en outre un laser dans lequel des refroidisseurs sont placés à l'entrée et à la sortie d'une pompe dite pompe Roots. Compte tenu des dimensions de cette pompe, l'ensemble du dispositif à laser est relativement grand et la liaison entre les refroidisseurs et le laser proprement dit s'effectue, comme il est d'usage, par de longs tuyaux. On connaît enfin, par le document EP 0109025, un laser à gaz selon le principe du transport des gaz, avec 2 2651385 compresseur radial ainsi que pré-refroidisseurs et refroidisseurs complémentaires, dans lequel le flux gazeux est aspiré aux extrémités extérieures des tubes laser et le gaz refroidi est envoyé dans la partie centrale des tubes laser. Outre la disposition complexe des refroidisseurs, ce laser a pour inconvénient que le flux de gaz s'écoule vers les miroirs du résonateur laser et que ceux-ci sont rapidement encrassés par les particules d'impuretés, contenues dans le flux gazeux. La puissance baisse donc nécessairement pendant le fonctionnement du laser. La présente invention a pour but de perfectionner un laser du type précité, de manière que sa construction soit simple, d'un coût avantageux et d'un encombrement minimal, tout en présentant un rendement élevé. Ce but et atteint avec un dispositif à laser suivant l'invention en ce que: - les tubes longitudinaux débouchent dans la partie centrale du tube laser, dans un collecteur conique; - la sortie du collecteur et directement reliée à pré-refroidisseur et celui-ci et directement relié à l'entrée du compresseur radial; - chaque sortie du compresseur radial est reliée, par des déflecteurs de gazr aux entrées des refroidisseurs dont la sortie et directement reliée à un support d'optique maintenant les tubes longitudinaux; - les axes de tous les refroidisseurs sont disposés parallèlement entre eux et perpendiculairement au résonateur laser. Par rapport aux lasers connus comparables, ce laser présente cet avantage particulier que sa puissance de sortie est presque le double de celle des lasers comparables. Ceci est dû en particulier au fait que l'on utilise des pré-refroidisseurs et des refroidisseurs complémentaires dont les liaisons entre ces composants et le compresseur radial d'une part et les tubes laser d'autre part, sont aussi courtes que possible. On y parvient en particulier par le fait que tous les refroidisseurs sont disposés parallèlement entre eux. 3 2651385 Un autre avantage particulier réside dans le fait qu'à l'exception des tubes du résonateur laser, les autres éléments traversés par le gaz ont une section transversale de tube rectangulaire. Par rapport aux éléments tubulaires de section transversale circulaire, ceux de section rectangulaire ont cet avantage que la vitesse du flux de gaz diminue fortement. Il s'ensuit une réduction de la perte d'écoulement d'une part et d'autre part, les longueurs des refroidisseurs sont moins grandes pour un volume donné. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortent de la description détaillée qui suit. Des exemples de réalisation sont représentés aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 et une vue latérale d'un dispositif à laser suivant l'invention; la figue 2 est une vue de dessus de l'exemple de réalisation de la figure 1; la figure 3 est une vue de face du dispositif à laser de la figure 1; la figure 4 montre un détail du dispositif à laser de la figure 1 et la figure 5 est une vue de dessus d'un autre exemple de réalisation du dispositif à laser suivant l'invention. Sur les figures 1 à 4, la référence 1 désigne le dispositif à laser. Ce dispositif contient, pour l'essentiel, un résonateur à laser qui, dans l'exemple de réalisation décrit ici, est constitué de deux tubes laser dont les faisceaux sont accouplés entre eux par des miroirs de déviations 7. Chaque tube laser se compose de deux tubes longitudinaux 2 et 3 ou 2' et 3'. Les tubes longitudinaux 2, 3 ou 2', 3' sont fixés d'une part sur un collecteur conique 4 et d'autre part sur des supports d'optique 5 et 6. Sur le coté, opposé au miroir de déviation 7, du tube laser constitué des tubes longitudinaux 2 et 3, le dispositif à laser suivant l'invention présente un miroir de sortie 8 par lequel la lumière laser sort du dispositif. f 2651385 Sur le côté correspondant du tube laser, constitué des tubes longitudinaux 2' et 3', on a disposé en revanche un miroir 23 totalement réfléchissant. Le collecteur conique 4 est directement relié, par sa sortie 40, à un prérefroidisseur 9 et celui-ci est directement relié, par sa sortie 100, à un compresseur radial 10. Le compresseur radial comporte un diffuseur 101 sur lequel sont fixées les sorties 11 et 12. A ces sorties 11 et 12 sont fixes des déflecteurs de gaz 13 et 14 en aval desquels sont montés les refroidisseurs 15 et 16. Les refroidisseurs 15 et 16 sont enfin reliés aux supports d'optique 5 et 6, de sorte que pendant le fonctionnement du compresseur radial 10, il se forme deux circuits de gaz séparés. r Le gaz laser et de préférence excité à l'aide d'une énergie à haute fréquence. A cet effet, on trouve, sur les tubes longitudinaux 2, 3 ou 2', 3' des paires d'électrodes 17, 18 ou 17', 18' (excitation HF capacitive) par lesquelles l'énergie HF est introduite dans les tubes laser. Les paires d'électrodes 18, 18' ou 17, 17' sont couplées par les lignes 19 ou 20, à des émetteurs HF 21 ou 22 correspondants. Le fonctionnement du laser et le suivant: Le gaz chauffé dans les tubes laser, par excitation HF, s'écoule tout d'abord, par guidage de l'écoulement, à travers le collecteur 4 et le refroidisseur 9, en direction du compresseur radial 10. Le compresseur radial 10 chasse le gaz pré-refroidi et comprimé, par les sorties 11 et 12 et les déflecteurs de gaz 13 et 14, dans les refroidisseurs 15 et 16 d'o il retourne dans le tubes laser 2 et 3 ou 2' et 3' Pour une puissance de sortie élevée du laser, il est important, entre autres, que le débit massique ou volumique du mélange de gaz actif soit important. Dans un exemple de réalisation pratique, le compresseur radial 10 utilisé était conçu pour un rapport de compression (côté pression par rapport au côté aspiration du compresseur) de 1,4 (pour un débit volumique de 2000 à 2500 m3/h et une proportion du mélange de 70/25/5 % en volume de 2651385 He/N/2/CO2). Pour le parcours de l'écoulement du gaz, représenté sur la figure 1, on a veillé à ce que la résistance totale à l'écoulement soit aussi faible que possible. On sait que lorsque la résistance augmente, le débit volumique et donc le volume massique, diminue. Outre l'utilisation d'un pré-refroidisseur 9, on a veillé, suivant l'invention, à ce que les refroidisseurs complémentaires 15 et 16 soient géométriquement disposés de manière que leurs axes soient parallèles entre eux et perpendiculaires aux résonateurs à laser. Il s'est avéré particulièrement avantageux que non seulement les tubes longitudinaux 2, 3, et 2', 3' mais aussi tous les autres éléments de guidage du flux gazeux, aient une section transversale aussi rectangulaire que possible. Un rapport de 10 à 1 s'est par exemple révélé intéressant. L'utilisation de sections transversales rectangulaires suppose toutefois des transitions avec les tubes longitudinaux 2, 3 ou 2', 3'. Celle-ci sont formées, de préférence, dans les supports d'optique 5 et 6, ainsi que par une conformation appropriée du collecteur conique 4. La figure 3 montre que les pièces de transition sont avantageusement formées dans le support d'optique. Sur cette figure, la référence 8 désigne à nouveau la fenêtre de sortie qui est associée au tube laser, constitué des tubes longitudinaux 2 et 3 et par la référence 23 on a désigné un miroir totalement réfléchissant qui est fixé à l'extrémité du tube longitudinal 2'. La référence 6 désigne le support d'optique dans lequel on a dessiné en pointillés un accessoire. Etant donné que le gaz quittant le refroidisseur 15, doit parvenir dans les tubes longitudinaux 2 et 2', l'accessoire 24 présente une double bosse, les tubes longitudinaux 2 et 2' étant disposés sur le plus grand relief de la bosse. L'accessoire, de préférence interchangeable, est conçu de manière que le gaz, provenant du refroidisseur 15 à une petite vitesse, soit guidé dans les tubes laser avec des pertes réduites. Le support d'optique comporte des brides 25 qui sont telles qu'après guidage dans le support d'optique 6, 6 2651385 le gaz parvient dans les tubes laser, non pas sous un angle de 90 , mais de 45 . On parvient ainsi à réduire la résistance et donc les pertes d'écoulement. Les tubes longitudinaux 2, 3; 2', 3' sont avantageusement conçus aussi de manière que les côtés, se trouvant dans les supports d'optique 5 et 6, soient chanfreinés sous un angle de 45 . Par la combinaison avec les brides, décrites ci- dessus, on obtient une réduction efficace des valeurs de la résistance. Comme le montre la figure 4, la transition entre la section transversale circulaire et la section rectangulaire du collecteur conique 4, s'effectue à l'aide de la bride 26. Celle-ci sert de diffuseur et réduit les pertes par chocs des courants de gaz parvenant dans le collecteur conique 4. Les caractéristiques du laser décrit sont regroupées dans le tableau suivant: Volume de construction du dispositif laser: 0,6m3 Puissance de sortie du laser: 2kW Débit volumique: > 1 800m3/h Vitesse de rotation de la roue du compres.: 40 OOOtr/min Volume de décharge: 0,6 x10- 3m3 Nombre de parcours de décharge: 4 Type d'excitation: Capacitive Fréquence d'excitation: 27 MHz Puissance max. de l'émetteur HF: 15kW Résonateur: Plié en U stable Pour accroître la puissance du laser, le dispositif peut comporter, par exemple, quatre autres parcours d'excitation. C'est ce que représente la figure 5. Dans ce cas, le collecteur conique est désigné par 4' et les miroirs de dérivation par 7', 7", 7'''. La référence 8' désigne la fenêtre de sortie et la référence 23' le miroir totalement réfléchissant. Le fonctionnement de ce laser correspondant à celui du dispositif décrit plus haut. Il est bien évident que les dimensions et la forme du collecteur conique 4' et des autres éléments du système de 7 2651385 circulation du gaz doivent être adaptées au dispositif qui comporte maintenant quatre tubes laser. 8 2651385 REVENDICATIONS 1. Dispositif à laser (1) selon le principe du transport des gaz, comportant un résonateur à laser et des systèmes de circulation du gaz, de refroidissement et d'excitation, un compresseur radial (10) avec une entrée (100) et deux sorties (11, 12), un diffuseur (101) et des déflecteurs de gaz (13, 14) étant prévus pour la circulation du gaz, le résonateur à laser comportant au moins un tube laser qui se compose de deux tubes longitudinaux (2, 3; 2', 3'), le gaz étant envoyé aux extrémités du tube laser et aspiré, dans la région centrale, à l'aide du compresseur radial (10), le diffuseur (101) du compresseur radial (10) étant directement relié aux sorties (11, 12) auxquelles se raccordent des refroidissements (15, 16), caractérisé en ce que: - les tubes longitudinaux (2, 3; 2', 3') débouchent dans la partie centrale du tube laser, dans un collecteur conique (4); - la sortie (40) du collecteur (4) est directement reliée à un pré-refroidisseur (9) et celui-ci est directement relié à l'entrée (100) du compresseur radial (10); - chaque sortie (11, 12) du compresseur radial (10) est reliée, par des déflecteurs de gaz (13, 14), aux entrées des refroidisseurs (15, 16) dont la sortie est directement reliée à un support d'optique (5, 6) maintenant les tubes longitudinaux (2, 3; 2', 3'); et - les axes de tous les refroidisseurs (9, 15, 16) sont disposés parallèlement entre eux et perpendiculairement au résonateur laser (2, 3; 2', 3'). 2. Dispositif à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'exception des tubes longitudinaux (2, 3; 2', 3'), les éléments (4, 9, 11, 12, 13, 14, 15, 16) limitant le flux de gaz, ont une section transversale rectangulaire. 9 2651385 3. Dispositif à laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins quatre tubes longitudinaux (2, 3; 2', 3') forment deux tubes laser parallèles dont les faisceaux sont accouplés entre eux par des miroirs de déviation (7). 4. Dispositif à laser selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les transitions entre les tubes longitudinaux (2, 3; 2', 3') et le collecteur conique (4) sont des diffuseurs. 5. Dispositif à laser selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les supports d'optique (5, 6) sont constitués d'un boîtier avec un accessoire (24> interchangeable, cet accessoire permettant de passer d'une section transversale rectangulaire à une section transversale circulaire. 6. Dispositif à laser selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes longitudinaux (2, 3; 2', 3') sont fixés sur les supports d'optique (5, 6), à l'aide de brides (25) qui sont telles que le gaz, après être passé dans le support d'optique (6), parvient dans les tubes longitudinaux (2, 3; 2', 3'), sous un angle de 45 . 7. Dispositif à laser selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les tubes z longitudinaux (2, 3; 2', 3') sont chanfreinés sur les côtés, tournés vers les supports d'optique (5, 6) sous un angle de 45 .