Brevet FR2695262A1 — publié le 19940304

Laser pulsé de grande puissance L'invention concerne un laser pulsé de grande puissance comprenant un résonateur avec des miroirs et un champ de rayonnement s'étendant entre les miroirs du résonateur ainsi qu'un milieu à laser pouvant être excité et traversé par le champ de rayonnement du résonateur. Le problème posé par les lasers pulsés de grande puissance connus consiste dans le fait que pour produire des puissances pulsées aussi élevées que possible, il faut une densité d'inversion de population aussi élevée que possible. Mais à la formation d'une densité d'inversion de population élevée de ce type s'oppose cependant le fait qu'à partir d'une importance déterminée de l'inversion de population, l'activité du laser se déclenche automatiquement et qu'il n'est plus possible d'obtenir une densité d'inversion de population plus élevée. L'invention a donc pour but de constituer un laser pulsé de grande puissance dans lequel ait lieu un déclenchement aussi simple que possible pour créer une densité d'inversion de population aussi élevée que possible. Avec un laser pulsé de grande puissance du type décrit dans le préambule, ce but est atteint selon l'invention du fait que dans le champ de rayonnement du résonateur est monté un déclencheur déterminant les impulsions du laser, qui comprend une optique reproduisant l'image du champ de rayonnement du résonateur sur un foyer linéaire et un hacheur mécanique actif dans la région du foyer linéaire, et en ce que l'optique formant l'image du champ de rayonnement du résonateur sur le foyer linéaire comprend deux miroirs paraboliques cylindriques disposés de façon à avoir leur foyer en commun sur le foyer linéaire et réfléchissant le rayonnement provenant du foyer linéaire dans deux directions respectivement opposées. Grâce à la solution de l'invention, on a la possibilité en utilisant un foyer linéaire avec une roue de hachage mécanique de réaliser un déclenchement aussi efficace que possible et sans problèmes même dans le cas de puissances élevées, en raison de la répartition de la puissance sur le foyer linéaire, et d'autre part, du fait de l'agencement des deux miroirs paraboliques qui réfléchissent le rayonnement provenant du foyer linéaire dans deux directions respectivement opposées, d'obtenir une compensation des distorsions du champ de rayonnement du résonateur par la courbure variable des miroirs paraboliques. Il est avantageux que les miroirs paraboliques aient la même distance focale, ce qui est particulièrement souhaitable quand la section transversale du champ de rayonnement du résonateur doit être maintenue sans modifications. Dans le cas o une section transversale du champ de rayonnement du résonateur doit être augmentée ou diminuée, un mode de réalisation particulièrement avantageux de la solution de l'invention prévoit que les miroirs paraboliques ont des distances focales différentes De ce fait, sans moyens optiques additionnels et grâce aux miroirs paraboliques nécessaires à la production du foyer linéaire, on obtient obligatoirement une adaptation de la section transversale du champ de rayonnement du résonateur à la section désirée. Il est particulièrement avantageux que le résonateur comprenne sur un côté du déclencheur un miroir de renvoi qui réfléchit le rayonnement provenant de ce dernier parallèlement et en le décalant, ce miroir de renvoi étant de préférence un miroir conique Ce miroir de renvoi offre la possibilité de traverser l'enceinte de décharge avec deux branches du champ de rayonnement du résonateur et d'utiliser ainsi de façon optimale le volume disponible. Dans ce cas, il est encore plus avantageux que le champ de rayonnement du résonateur traverse deux fois le déclencheur, car on dispose ainsi de la possibilité de compenser l'erreur dite de "Icommutationu du déclencheur. Ceci est en particulier possible quand le champ de rayonnement du résonateur traverse plusieurs fois le foyer linéaire Dans ce cas, il est particulièrement approprié que les champs de rayonnement partiels traversent le foyer linéaire pendant leur second passage dans une autre région que pendant leur premier passage, ce résultat pouvant être en particulier obtenu au moyen d'un miroir de renvoi inverseur et de manière que les champs de rayonnement partiels qui sont situés lors du premier passage dans une région d'extrémité du foyer linéaire soient situés lors du second passage dans une région d'extrémité opposée du foyer linéaire On peut ainsi obtenir une compensation de la vitesse de commutation qui dépend du rayon du disque. Comme la qualité du faisceau de lasers de grande puissance selon l'invention est limitée quand on utilise un gaz à laser en tant que, milieu à laser en raison de la densité du milieu à laser qui varie en direction de l'écoulement, c'est-à-dire qui diminue, d'o résulte un gradient des longueurs des trajets optiques des différents champs de rayonnement partiels du champ de rayonnement du résonateur situés les uns à côté des autres et transversalement à l'axe du résonateur qui' provoque un basculement du faisceau laser et une dégradation de la qualité du faisceau, il est particulièrement avantageux que le champ de rayonnement du résonateur soit guidé dans le milieu à laser de manière à réduire les longueurs des différents trajets optiques des champs de rayonnement partiels du champ de rayonnement du résonateur. Un champ de rayonnement de résonateur dans le sens de l'invention est constitué par un certain nombre de champs de rayonnement partiels s'étendant les uns à côté des autres dans la direction de leur propagation et présente une surface en section transversale finie transversalement à la direction de la propagation. Un champ de rayonnement de résonateur peut ainsi comprendre par exemple plusieurs champs de rayonnement partiels s'étendant les uns à côté des autres dans une unique direction de propagation commune, ou des champs de rayonnement partiels déterminés par une réflexion en va- et-vient entre deux miroirs. Il est donc particulièrement avantageux que les longueurs différentes des trajets optiques des champs de rayonnement partiels soient sensiblement compensées. Ce résultat peut être obtenu de façon particulièrement avantageuse en dotant le système laser pulsé de grande puissance de deux enceintes de décharge traversées par le champ de rayonnement du résonateur, les enceintes de décharge étant constituées de préférence de façon identique. Il est alors particulièrement avantageux que les enceintes de décharge présentent des décharges de gaz dont les conditions de décharge sont identiques, et de préférence des densités identiques variant en direction de l'écoulement. Dans ce cas, le champ de rayonnement du résonateur est de préférence constitué de manière qu'il traverse les enceintes de décharge de façon que les influences des diverses longueurs des trajets optiques se compensent sensiblement dans le champ de rayonnement du résonateur. Une telle compensation des longueurs des trajets optiques peut être obtenue de façons diverses Selon une variante de la solution de l'invention qui est simple, il est prévu que chaque canal de décharge est traversé par une branche du champ de rayonnement du résonateur, les champs de rayonnement partiels des deux branches étant inversés l'un par rapport à l'autre de 1800 autour de l'axe optique quand les directions d'écoulement sont les mêmes, ou bien les champs de rayonnement partiels traversent les canaux de décharge sans être inversés par rapport à l'axe optique dans le cas o les directions d'écoulement sont en sens contraires. Un mode de réalisation particulièrement efficace prévoit qu'un canal de décharge est traversé par deux branches du champ de rayonnement du résonateur, les deux branches s'étendant de préférence sensiblement parallèlement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention font l'objet de la description qui suit ainsi que des dessins annexés d'un mode de réalisation, dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un premier mode de réalisation; la figure 2 est une vue en plan du mode de réalisation de la figure 1, vu par l'avant; la figure 3 est une vue en plan d'une roue de hachage du premier mode de réalisation; la figure 4 est une vue en plan d'un second mode de réalisation, vu par l'avant et de façon similaire à celle de la figure 2; la figure 5 est une vue partielle à plus grande échelle du foyer linéaire dans une ouverture en forme de fente de la roue de hachage; et la figure 6 est une représentation schématique de la situation en vue en coupe selon la ligne 6-6 de la figure 4. Un premier mode de réalisation d'un système laser pulsé de grande puissance selon l'invention et représenté aux figures 1 à 3 comprend une enceinte de décharge désignée dans son ensemble en 10, dans laquelle est prévu un canal de décharge 12 Ce canal de décharge 12 est traversé par un courant de gaz 14 provoqué par un système de mise en circulation de gaz désigné dans son ensemble en 16, qui comprend un canal d'amenée 18 conduisant à une ouverture d'entrée 20 du canal de décharge 12 et un canal de sortie 22 allant d'une ouverture de sortie 24 du canal de décharge 12 vers une soufflante désignée dans son ensemble en 26 qui fait passer le gaz laser entraîné par un refroidisseur de gaz 27. L'ensemble du canal de décharge 12 est parcouru par le courant de gaz laser 14 dans une direction d'écoulement 28 qui est parallèle aux parois latérales Il et 13 de ce canal I 2, lesquelles sont constituées elles-mêmes en tant qu'électrodes pour la production d'une décharge de gaz dans une enceinte de décharge 30, ou supportent des électrodes 29 et 31 qui sont reliées à une source de haute fréquence non représentée sur le dessin pour produire une décharge de gaz haute fréquence. Transversalement à la direction d'écoulement 28 s'étend un résonateur désigné dans son ensemble en 32 à la figure 2, comportant un axe 34 le long duquel se forme un champ de rayonnement de résonateur 36 qui se propage de son côté entre des miroirs d'extrémité 38 et 40 du résonateur 32. Un premier miroir d'extrémité 38 est fixé dans un logement 39 sur-un premier côté frontal 42 du canal de décharge 12 et le second miroir d'extrémité 40 est monté sur un côté opposé du canal de décharge 12 et est maintenu dans une enceinte 44 qui se raccorde au côté frontal 46 du canal de décharge 12 qui est à l'opposé du côté frontal 42 Dans l'enceinte 44 et entre le miroir d'extrémité 40 et le côté frontal 46 est en outre prévu un déclencheur désigné dans son ensemble en 48 Ce dernier comprend en tant qu'optique de formation d'image deux miroirs paraboliques cylindriques 50 et 52, qui sont montés sur les côtés opposés d'un foyer linéaire et qui ont un foyer commun sur celui- ci, les deux miroirs paraboliques 50 et 52 comportant respectivement des surfaces de miroir cylindriques 56 et 58 dans la même direction cylindrique La direction cylindrique de ces surfaces de miroir 56, 58 est parallèle à la direction dans laquelle s'étend le foyer linéaire 54. Les deux miroirs paraboliques 50 et 52 sont montés de manière à réfléchir chacun le rayonnement provenant du foyer linéaire 54 dans des directions opposées. Dans un plan 60 qui passe par le foyer linéaire 54 s'étend en outre une roue de hachage 62 incluse dans le déclencheur 48, et qui peut être entraînée par un mécanisme 64. La roue de hachage 62 comprend, comme montré à la figure 3, une série d'ouvertures en forme de fentes 70 disposées a la même distance radiale d'un axe de rotation 68, et qui comprennent, vue en direction 72 de la rotation, un bord avant 74 et un bord arrière 76 qui s'étendent de préférence en direction axiale par rapport à l'axe de rotation 68 Les ouvertures en forme de fentes 70 sont disposées de manière soit à découvrir le foyer linéaire 54 soit à le recouvrir et ainsi soit à laisser passer le champ de rayonnement 36 du résonateur qui traverse le déclencheur 48, soit à l'arrêter par les régions 80 situées entre les ouvertures en forme de fentes, de manière qu'aucune image du champ de rayonnement 36 du résonateur ne soit formée entre les miroirs d'extrémité 38 et 40. La roue de hachage 62 est montée directement sur un arbre d'entraînement du mécanisme 64 qui est fixé de son côté dans l'enceinte 44. De préférence, la partie interne 82 de l'enceinte 44 est en liaison directe par le côté frontal 46 avec l'enceinte de décharge 30, ce qui fait que les conditions de pression et le gaz sont les mêmes dans la partie interne 82 et dans l'enceinte de décharge 30 La partie interne 82 forme pour ainsi dire un espace se raccordant par son côté frontal au canal de décharge 12, soumis à ses conditions de pression, non traversé par le courant et de ce fait dit mort sur le plan de la technique de l'écoulement. Le découplage d'un faisceau laser provenant du champ de rayonnement 36 du résonateur est obtenu au moyen d'un miroir découpleur 84 de forme annulaire, monté par exemple à l'avant du miroir d'extrémité 40 et qui réfléchit perpendiculairement à l'axe 34 du résonateur un champ de rayonnement partiel externe de forme annulaire du champ de rayonnement 36 du résonateur. Selon un second mode de réalisation qui est représenté à la figure 4, le canal de décharge 12 et le système de mise en circulation de gaz 16 sont de même constitution que dans le premier mode de réalisation, et l'on peut s'y rapporter intégralement en ce qui les concerne. Contrairement au premier mode de réalisation, les deux miroirs d'extrémité 38 ' et 40 ' du résonateur 32 ' sont montés sur un côté du canal de décharge I 2, alors que le déclencheur 48 ' est monté sur le côté opposé du canal de décharge 12 et est enfermé dans une enceinte de déclencheur. L'enceinte 90 du déclencheur se raccorde au côté frontal 46 du canal de décharge 12 De manière similaire, les deux miroirs d'extrémité 38 ' et 40 ' sont montés dans un logement à miroirs 92 qui se raccorde au côté frontal 46 du canal de décharge 12. Aussi bien une partie interne 94 de l'enceinte du déclencheur 90 qu'une partie interne 96 du logement à miroirs 92 sont en liaison avec le canal de décharge 12, ce qui fait que les mêmes conditions de pression et de gaz règnent dans l'enceinte à déclencheur 90 et dans le logement à miroirs 92 que dans le canal de décharge 12, sauf que la partie interne 94 ou 96 de ces derniers n'est pas traversée par le courant de gaz 40 dans la direction d'écoulement 28. De façon analogue au premier mode de réalisation, le déclencheur 48 ' comprend deux miroirs paraboliques cylindriques 50 et 52 qui ont un foyer commun sur le foyer linéaire 54 et qui forment sur ce dernier l'image du champ de rayonnement 36 ' du résonateur. Contrairement au premier mode de réalisation, le champ de rayonnement 36 ' du résonateur comprend une première branche 100 traversant l'enceinte de décharge 30 et une seconde branche 102 traversant cette dernière, les deux étant focalisées par le miroir parabolique 50 sur le même foyer linéaire 54 et étant couplées en directions contraires par le miroir parabolique 52 en tant que branches 104 ou 106 avec les branches 100 ou 102 Ces branches 104 et 106 sont couplées l'une à l'autre par un miroir conique 108 dont l'axe 110 du cône est parallèle aux branches 106 et 104 et qui s'étend de préférence centralement entre les deux Le miroir conique 108 accouple donc les branches 104 et 106 et de ce fait également indirectement les branches 102 les unes aux autres. D'une façon analogue au déclencheur 48 décrit en détail en référence au premier mode de réalisation, le déclencheur 48 ' du second mode de réalisation comprend également la roue de hachage 62 entraînée par le mécanisme 64, qui se présente également sous la même forme que dans le premier mode de réalisation et est située dans le plan 60. Si la roue de hachage 62 recouvre par sa région 80 le foyer linéaire 54, les branches 104 et 106 sont séparées des branches 100 et 102, alors que lorsque le foyer linéaire est découvert, les branches et 102 sont couplées indirectement l'une à l'autre par le miroir conique 108, ce miroir 108 formant également l'image des branches 104 et 106 sur un foyer linéaire 112, et les champs de rayonnement partiels des branches 100 et 102 sont de ce fait couplés indirectement l'un à l'autre par l'intermédiaire du miroir conique 108 En raison de la formation de l'image des branches 104 et 106 sur le foyer linéaire 112, les champs de rayonnement partiels des branches 100 et 102 sont inversés l'un par rapport à l'autre, ainsi que cela ressort de ce qui suit. Si on considère le champ de rayonnement partiel TV situé à l'avant par rapport à la direction 28 de l'écoulement et le champ de rayonnement partiel TH situé à l'arrière dans la branche 100, leur position est inversée par les deux miroirs paraboliques 50 et 52 et le miroir conique 180, ce qui fait que le champ de rayonnement partiel TV de la branche 102 est situé à l'arrière par rapport à la direction 28 de l'écoulement et que le champ de rayonnement partiel TH dans la branche 102 est situé à l'avant par rapport à la direction 28 de l'écoulement. Do On a ainsi la possibilité de réduire le gradient de densité optique qui se forme dans le cas d'une décharge de gaz en direction de l'écoulement 28, car la densité optique qui diminue en direction de l'écoulement a pour conséquence que le champ de rayonnement partiel TV de la branche 100 traverse une densité optique plus élevée que le champ de rayonnement partiel TH de la branche 100 Du fait de son inversion dans la branche 102, le champ de rayonnement partiel TH traverse ensuite la densité optique la plus élevée alors que le champ de rayonnement partiel TV traverse la densité optique qui est alors la plus faible, et qu'ainsi diminue la différence entre les longueurs des trajets optiques des champs de rayonnement partiels TV et TH. Comme le foyer linéaire 54, comme montré à la figure 5, présente une largeur finie 8 dans la direction périphérique de la roue de hachage 62, il en résulte soit une libération irrégulière du foyer linéaire 54 par le bord avant 74, soit un recouvrement irrégulier du foyer linéaire par le bord arrière 76 quand ceux-ci se déplacent par exemple radialement par rapport à l'axe de rotation 68, car une région de gauche L et une région de droite R du foyer linéaire 54 sont soit découvertes soit recouvertes à des instants différents dans le temps quand le déclencheur 48 n'est traversé qu'une fois par le champ de rayonnement du résonateur. Dans le second mode de réalisation de la présente invention, ceci est compensé comme montré à la figure 6. Un champ de rayonnement partiel de gauche TL de la branche 100 est réfléchi sans changement par les miroirs paraboliques 50 et 52 par le foyer linéaire 54, le champ de rayonnement partiel de gauche TL traversant la région de gauche L du foyer linéaire 54 lors du premier passage par le foyer linéaire Du fait des inversions des conditions par le miroir conique 10, le champ de rayonnement partiel de gauche TL, du fait de sa réflexion en retour par les miroirs paraboliques 52 et 50 lors du second passage par le foyer linéaire 54, traverse la région de droite de ce dernier, ce qui fait que les différences de recouvrement ou de libération de la région de gauche ou de la région de droite du foyer linéaire 54 sont compensées Il en va de même pour un champ de rayonnement partiel de droite TR dans la branche 100. Celui-ci traverse la région de droite du foyer linéaire 54, et après inversion lors de la réflexion en retour par les miroirs paraboliques 52 et 50, la région de gauche du foyer linéaire 54. Dans l'ensemble, et par inversion du champ de rayonnement 36 ' du résonateur lors du second passage par le foyer linéaire 54 par rapport au premier passage par le foyer linéaire 54, il y a compensation de, l'irrégularité du recouvrement ou de la libération du foyer linéaire 54 par le bord avant 74 ou par le bord arrière 76 des ouvertures en forme de fentes 70 de la roue de hachage 62. Dans les deux modes de réalisation, le laser fonctionne de manière que par rotation de la roue de hachage 62, aussi bien la largeur B des ouvertures 70 que la largeur des régions 90 dans la direction 120 de la rotation, on peut déterminer la durée des impulsions ainsi que les intervalles entre impulsions laser, l'activité du laser étant supprimée pendant les intervalles entre impulsions. Dans les deux modes de réalisation, l'excitation du gaz à laser a lieu par ailleurs d'une façon habituelle et connue, et de préférence par une décharge haute fréquence dans le cas de mélanges de gaz à laser connus pour un laser à courant transversal, tel que du C 02 avec les adjuvants habituels, une haute fréquence appropriée étant en outre couplée dans l'enceinte de décharge, ainsi que cela est connu par l'état de la technique. il REVENDICATIONS 1 Laser pulsé de grande puissance comprenant un résonateur avec des miroirs et un champ de rayonnement s'étendant entre les miroirs du résonateur ainsi qu'un milieu à laser pouvant être excité et traversé par le champ de rayonnement du résonateur, caractérisé en ce que dans le champ de rayonnement ( 36) du résonateur est monté un déclencheur ( 48) déterminant les impulsions du laser, qui comprend une optique ( 50, 52) formant l'image du champ de rayonnement ( 36) du résonateur sur un foyer linéaire ( 54) et un hacheur mécanique ( 62) actif dans la région du foyer linéaire ( 54), et en ce que l'optique ( 50, 52) formant l'image du champ de rayonnement ( 36) du résonateur sur le foyer linéaire ( 54) comprend deux miroirs paraboliques cylindriques ( 50, 52) disposés de façon à avoir leur foyer en commun sur le foyer linéaire et réfléchissant le rayonnement provenant du foyer linéaire ( 64) dans deux directions respectivement opposées - 2 Laser de grande puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les miroirs paraboliques ( 50, 52) sont de même distance focale. 3 Laser de grande puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les miroirs paraboliques ( 50, 52) ont des distances focales différentes. 4 Laser de grande puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le résonateur ( 32 > comprend sur un côté du déclencheur ( 48) un miroir de renvoi ( 108) qui réfléchit le rayonnement provenant de ce dernier parallèlement et en le décalant. Laser de grande puissance selon la revendication 4, caractérisé en ce que le champ de rayonnement ( 36) du résonateur traverse deux fois le déclencheur ( 48). 6 Laser de grande puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce que les champs de rayonnement partiels (TL, TR) traversent le foyer linéaire ( 54) pendant leur second passage dans une région (R, L) de celui-ci qui est différente de celle de leur premier passage. 7 Laser de grande puissance selon l'une quelconque des 1,2 revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ de rayonnement ( 36) du résonateur est guidé dans le milieu à laser de manière à réduire les différentes longueurs des trajets optiques des - champs de rayonnement partiels (TV, TH) du champ de rayonnement ( 36) du résonateur.