Brevet FR2692082A1 — publié le 19931210

LASER TRANSVERSE ELECTRIQUE A DUREE D'IMPULSION ALLONGEE Un laser transverse électrique (TE) contient plusieurs gaz, essentiellement du gaz carbonique, de l'azote et de l'hélium en proportions respectives de une, une et deux parties en poids, environ. Les gaz sont enfermés dans une cavité optique résonnante allongée contenant deux électrodes : une anode et une cathode, par exemple en aluminium, parallèles à l'axe optique de la cavité. Les électrodes servent à produire une décharge électrique périodique pour provoquer l'émission d'impulsions laser par excitation du gaz carbonique traversé par la décharge. Afin de créer un champ électrique relativement homogène entre les électrodes, préalablement à la décharge, les gaz sont pré-ionisés au moyen d'électrodes supplémentaires, ce qui garantit 1 l'établissement d'un champ sensiblement homogène pendant la durée de l'impulsion optique. La cavité optique est limitée par deux miroirs situés respectivement aux deux extrémités de celle-ci, perpendiculairement à l'axe optique, qui entretiennent une oscillation laser en renvoyant vers le volume de gaz excité une partie de l'impulsion laser produite. L'un des miroirs, de sortie, n'est que partiellement réfléchissant, de façon qu'une partie seulement du rayonnement, suffisante pour maintenir l'oscillation laser, soit réfléchie vers la cavité, tandis que l'autre partie, représentant l'énergie utilisable, traverse le miroir. Les impulsions optiques produites comportent un pic initial, à forte puissance et courte durée, suivi d'un résidu d'impulsion plus long et moins puissant. Un laser TE peut être utilisé, par exemple, pour marquer des matériaux ou pour effectuer des opérations de microchirurgie, par exemple pour creuser la surface d'un os ou d'une dent. Par opposition à d'autres lasers, à fonctionnement continu, le laser TE n'échauffe pas le matériau cible et ne risque donc pas de le faire éclater ou de le carboniser, du fait que ses impulsions sont de courte durée, donc ne transportant qu'une énergie très limitée. Cependant, l'énergie stockée dans le gaz carbonique devant être transmise en un très court instant, les impulsions optiques sont très intenses. De ce fait, le pic optique initial présente l'inconvéntent de transférer une puissance intense sur le matériau cible, qui se volatilise en émettant un plasma le protégeant partiellement, par absorption et diffraction du rayonnement incident. La puissance du laser effectivement utilisée se trouve ainsi fortement diminuée. On a déjà songé à réduire la puissance du pic initial. Ainsi, l'article "A TEA C02 laser with output pulse length adjustable from 50 ns to over 50 us", de A. GIRARD et A. J. BEAULIEU, IEEE Journal of Quantum Electronics, juin 1974, expose qu'on peut allonger l'impulsion laser en diminuant à quelques unités le pourcentage de gaz carbonique, par rapport au total du gaz carbonique et de l'azote. On obtient alors une impulsion nettement plus longue, sans pic initial. De façon à maintenir l'oscillation laser, on compense la perte de gain optique de la cavité laser, due à la disparition du pic, en accroissant considérablement le taux de réflexion du miroir de sortie. Dans le laser de cet art antérieur, il risque cependant de se créer un arc électrique, du fait que l'augmentation de la durée des impulsions rend plus critique le problème de l'homogénéité du champ électrique, qui est supposé être uniforme sur toute la surface des électrodes. En effet, le courant quittant l'anode, en suivant le champ électrique, est supposé être constitué d'une multitude de courants élémentaires parallèles, issus chacun d'une partie associée de la surface de l'anode et arrivant sur la partie associée en regard de la cathode. Cependant, s'il existe un défaut en surface d'une électrode, dû, par exemple, à une protubérance ou à une résistivité localement moindre, les courants élémentaires voisins du défaut sont détournés vers celui-ci, ce qui déséquilibre la répartition du champ électrique et accentue l'appel de courant vers le défaut.Par effet cumulatif, la forte densité ainsi engendrée peut créer un arc électrique localisé. Celui-ci offre alors au courant un chemin électrique, encore plus court, détournant tout le courant et en privant alors le volume de gaz qui était excité par le courant détourné. L'arc a, de plus, un effet mécanique d'arrachement qui transfère de la matière d'une electrode à l'autre et augmente les défauts de surface, ce qui peut provoquer la destruction thermique du laser si le court-circuit dû à l'arc augmente d'intensité au fil du temps du fait de la croissance d'une protubérance diminuant la distance d'isolement entre les électrodes. La présente invention vise à résoudre ce problème. A cet effet, elle concerne un laser du type transverse électrique contenant de l'azote ainsi que du gaz carbonique en quantité inférieure, en poids, au dixième, environ, de celle de l'azote et comportant une anode et une cathode contenues dans une cavité délimitée, à une extrémité, par une surface optique de couplage avec l'extérieur ayant un coefficient de réflexion vers la cavité laser supérieur à sensiblement 90 %, caractérisé par le fait que l'anode est en carbure de silicium. Le carbure de silicium, qui a une résistivité plus élevée à faible courant qu'à fort courant, a un effet régulateur de densité de courant, permettant l'établissement, en début d'impulsion électrique, de lignes de courant équi-réparties sur toute la surface des électrodes. La valeur élevée de la résistivité s'oppose à tout accroissement local important de la densité de courant. En cours dtimpulsion, la résistivité du carbure de silicium diminue, ce qui évite des pertes électriques importantes. Malgré cette diminution, le régime équilibré du champ électrique, établi en début d'impulsion, maintient cependant son influence bénéfique tout au long d d'une grande partie de l'impulsion. Le passage éventuel de l'état équilibré à un état déséquilibré des densités de courant prend un certain temps et ne peut se produire que vers la fin de l'impulsion. On peut ainsi, sans risque de détérioration des électrodes, disposer d'impulsions de longue durée, du fait de l'établissement d'un champ électrique initial à répartition bien homogène. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante du mode de réalisation préféré du laser selon l'invention, en référence au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 représente le laser selon l'invention et - la figure 2 représente l'amplitude, en fonction du temps, de deux impulsions laser correspondant respectivement à un laser connu et au laser de l'invention. Le laser de l'invention, représenté sur la figure 1, est un laser transverse électrique (TE), ici atmosphérique (TEA). I1 comporte une enceinte 1 fermée et étanche, de forme allongée selon un axe optique 2, délimitant une cavité laser 3. A une extrémité de la cavité 3 se trouve un miroir 11, totalement réfléchissant vers la cavité 3, tandis qu'à l'autre extrémité se trouve un miroir 12 partiellement réfléchissant vers la cavité 3, avec un coefficient de réflexion voisin ici de 98 %, et donc partiellement transparent vers l'extérieur de celle-ci. Dans la cavité 3 sont situées deux électrodes : une anode 21 et une cathode 22, dont les surfaces en regard 23 et 24 sont, ici, planes et disposées symétriquement par rapport à l'axe optique 2. L'anode 21 est en carbure de silicium tandis que la cathode 22 est ici en aluminium. Des électrodes de pré-ionisation sont prévues mais non représentées. La cavité 3 est remplie de gaz carbonique, d'azote et d'hélium en proportions respectives, en poids, d'environ 1 %, un tiers et deux tiers. Un circuit électronique 25, relié aux électrodes 21 et 22, fournit cycliquement des impulsions électriques d'excitation des gaz. La durée de ces impulsions, ici de une microseconde est de préférence supérieure à sensiblement 0,5 microseconde. Le fonctionnement du laser est le suivant. Le circuit 25 produisant cycliquement les impulsions électriques, celles-ci créent, entre les électrodes 21, 22, un champ électrique homogène à lignes de champ 26 perpendiculaires aux surfaces 23 et 24. Le carbure de silicium ayant une résistivité élevée à faible courant, il impose un équilibre initial entre les diverses lignes de champ 26 en évitant qu'une éventuelle protubérance en surface d'électrode, ou un léger défaut de conductivité de surface ne crée une concentration de courant très localisée. Le champ --électrique produit, de façon connue, une décharge électrique excitant le gaz carbonique traversé par celle-ci, ce qui entraîne l'émission de lumière par effet laser. Lorsque la décharge électrique est amorcée, l'augmentation progressive de courant dans le carbure de silicium diminue sa résistivité donc évite des pertes résistives importantes. L'impulsion optique produite par le laser dure, dans cet exemple, environ 10 microsecondes, grâce au fait que le gaz carbonique est en faible proportion par rapport à l'azote. Ainsi, le gaz carbonique, qui n'a stocké, préalablement à son excitation, qu'une énergie limitée, n'émet pas de pic optique initial. De plus, l'azote, entre deux impulsions successives, n'a que peu cédé de son énergie, du fait que, par leur infériorité numérique, les atomes de gaz carbonique n'ont pu absorber qu'une énergie faible par rapport à celle dont disposaient les atomes d'azote. Ces derniers continuent, pendant l'émission laser, à effectuer un transfert d'énergie vers les atomes de gaz carbonique, ce qui prolonge la durée de l'impulsion laser. De plus, l'impulsion d'excitation électrique est étalée dans le temps, ce qui évite aussi d'exciter brutalement le gaz carbonique. La courbe 31 de la figure 2 montre l'allure d'une impulsion optique obtenue avec un laser de type connu comportant sensiblement autant de gaz carbonique que d'azote, le temps t, en microsecondes, étant porté sur l'axe des abscisses et l'amplitude I de l'impulsion optique, sur 1 l'axe des ordonnées. La courbe 32 représente l'allure de l'impulsion optique obtenue avec le laser de l'invention. On voit ainsi que l'impulsion 32 produite par le laser selon l'invention est exempte de pic initial à forte puissance et a une durée voisine de 10 microsecondes, bien supérieure à celle de l'impulsion 31 du laser de type connu. REVENDICATIONS 1. Laser du type transverse électrique contenant de l'azote ainsi que du gaz carbonique en quantité inférieure, en poids, au dixième, environ, de celle de l'azote et comportant une anode (21) et une cathode (22) contenues dans une cavité (3) délimitée à une extrémité, par une surface optique (12) de couplage avec l'extérieur ayant un coefficient de réflexion vers la cavité laser (3) supérieur à sensiblement 90 %, caractérisé par le fait que l'anode (21) est en carbure de silicium. 2. Laser selon la revendication 1, dans lequel un circuit de décharge électrique (25) est agencé pour produire une impulsion d'excitation du laser d'au moins 0,5 microseconde.