Brevet FR2692729A1 — publié le 19931224

La présente invention concerne les appareils laser de puissance à mélange, du type comprenant un générateur de flux d'azote excité couplé à un guide d'onde à miroirs opposés suivant une direction principale avec des moyens pour introduire un flux de C 02 (dioxyde de carbone) dans le flux d'azote excité avant introduction dans le guide d'onde. Un appareil laser de ce type est décrit dans l'Article "High Power CO 2 electric discharge mixing laser" de C O Brown dans Applied Physics Letters, vol 17, No 9, novembre 1970 Quoique de tels lasers EDML soient décrits depuis longtemps, ils n'ont pas connu de développements industriels, en raison notamment de leur fonctionnement à pression sub-atmosphérique, aux mauvais choix de générateurs d'espèces excitées et à l'utilisation préconisée d'hélium D'autre part, les lasers CO 2 de puissance, en général, connaissent une diffusion plutôt restreinte à l'échelle industrielle en raison de leur prix élevé et de leur fiabilité insuffisante, essentiellement au niveau des composants optiques mais également en raison de problèmes de fuites, et aussi du fait qu'il n'existe pas de fibres optiques susceptibles de transmettre une forte puissance à la longueur d'onde de 10 microns de ces lasers. La présente invention a pour objet de proposer un appareil laser de puissance à mélange à usage industriel de coût réduit, à fiabilité grandement accrue et permettant, sous une forme compacte, de délivrer des puissances importantes, largement supérieures au k W. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le générateur de flux d'azote excité est du type à décharge électrique froide fonctionnant sensiblement à la pression atmosphérique. Par "décharge électrique froide à pression atmosphérique", on entend la formation d'espèces excitées dans un mélange gazeux à une pression voisine de la pression atmosphérique (non inférieure à 0,8 x 105 Pa), la température des espèces électriquement neutres du mélange gazeux n'excédant pas 2500 C, plus généralement 150 'C Ce type de décharge est également appelée, selon les auteurs, par exemple "décharge couronne", "Atmospheric Pressure Glow Discharge", ou "Barrier Discharge"; Selon d'autres caractéristiques de l'invention le générateur comprend une chambre de décharge tubulaire à circulation de gaz transversale par rapport à l'axe de la chambre; la direction principale du guide d'onde est sensiblement parallèle à l'axe de la chambre; le CO 2 est introduit dans un passage de gaz parallèle audit axe; le guide d'onde est du type à galerie chuchotante le guide d'onde a une forme de gouttière arquée à grand rayon de courbure et ayant une direction principale sensiblement parallèle audit axe; chaque miroir comprend au moins une lame en diamant. La structure et les propriétés d'une galerie chuchotante (en anglais "whispering gallery") comme guide d'onde sont décrites dans le document US-A-4 194 808, Marhic et al L'utilisation comme laser d'une telle galerie chuchotante est décrite dans l'Article "Whispering gallery C 02- laser" de Marhic et al dans IEEE Journal of Quantum is Electronics, vol QE-15, N O 6, de juin 1979 Les lasers CO 2 à galerie chuchotante se sont jusqu'à présent trouvés confrontés à des problèmes de durée de vie, tenant notamment aux dégradations provoquées par les décharges électriques dans la zone de propagation du faisceau, et de puissance, limitée par le volume du milieu amplificateur. L'agencement selon la présente invention permet d'éviter les problèmes ci-dessus, le concept du laser à mélange et l'excitation du flux d'azote dans un générateur du type à décharge froide à pression atmosphérique permettant d'obtenir un gain très élevé en continu Par ailleurs, avec un laser à mélange, on dispose d'un flux de gaz considérable pour balayer les miroirs du guide d'onde, ce qui empêche les particules de s'y déposer et de créer des points chauds entraînant leur détérioration rapide L'utilisation de miroirs en diamant permet d'autre part de supprimer quasiment les problèmes de durée de vie de ces derniers Qui plus est, le réglage des miroirs dans un laser à guide d'onde de faible longueur n'est pas critique, ce qui est encore plus vrai avec une galerie chuchotante: une variation de 20 de l'orientation des miroirs n'engendre aucune modification de puissance et le laser reste mono-mode même avec un désalignement de 1 Le mode d'une galerie chuchotante reste petit, de l'ordre de 1 mm 2, même avec un rayon de courbure très grand de la galerie Pour un faisceau d'1 k W, la densité de puissance intra-cavité est supérieure à 200 k W/cm 2, ce qui est parfaitement tolérable pour un miroir en diamant. Selon d'autres caractéristiques de l'invention l'appareil comporte des moyens pour introduire dans le mélange gazeux un gaz choisi dans le groupe constitué de l'hélium, de l'hydrogène et de la vapeur d'eau; le gaz alimentant le générateur est un mélange d'azote et d'oxygène ayant une teneur en azote non inférieure à 85 % et typiquement une teneur en oxygène d'environ 5 %, le mélange gazeux étant alors avantageusement fourni par traitement de l'air par un dispositif à adsorption et/ou perméation; La présente invention a pour autre objet de proposer un appareil industriel du type défini ci- dessus pour la découpe de matériaux, caractérisé en ce qu'il est couplé en sortie à une galerie chuchotante multi-spires terminée par une tête de focalisation, en exploitant ainsi au mieux les propriétés des galeries chuchotantes. l'appareil comprend un circuit de recyclage du mélange de gaz quittant le guide d'onde et comprenant un dispositif de séparation de l'azote et d'au moins le C 02 pour réinjection de ces derniers dans l'appareil. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique illustrant l'agencement de principe d'un appareil selon l'invention; la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un appareil selon l'invention; la figure 3 est une vue schématique partielle d'un mode de réalisation de l'invention; la figure 4 est une vue analogue à la figure 2 montrant un autre mode de réalisation de l'invention; les figures 5 et 6 sont des vues schématiques de cavités de correction de dissymétrie de faisceau; et la figure 7 est une vue schématique d'un appareil industriel pour la découpe de matériaux selon l'invention. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence. Comme on le voit sur la figure 1, un appareil selon l'invention comprend un générateur de décharge 1 délivrant en sortie un flux de gaz comprenant des molécules d'azote excitées fourni à une cavité résonnante constituée par exemple d'un tronçon de galerie chuchotante 2 en forme de gouttière arquée ayant un rayon de courbure principal supérieur à 1 m et pourvu à ses extrémités opposées d'un miroir réfléchissant 3 et d'un miroir ou fenêtre 4 de transmission du faisceau laser, un flux de C 02 étant mélangé au flux d'azote excité par un dispositif d'injection 6 interposé entre la cavité résonnante 5 et la sortie du générateur 1 Le générateur 1 est agencé pour produire, via un passage de sortie allongé 13, un flux de gaz homogène transversalement au guide d'onde 2, lequel présente une forme de gouttière ayant une direction principale sensiblement parallèle au passage de sortie 13. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le générateur 1 est tel que décrit dans la demande de brevet intitulée "Dispositif de formation de molécules gazeuses excitées ou instables, et utilisation d'un tel dispositif" déposée ce même jour par la Demanderesse et comprend essentiellement, dans un bloc métallique, une électrode périphérique tubulaire 8 d'axe X entourant concentriquement un tube diélectrique 9 coaxial sur la face intérieure duquel est appliquée une électrode intérieure 10 et ménageant, avec l'électrode périphérique 8, un passage tubulaire de gaz 11 coaxial au tube diélectrique 9 et débouchant vers l'extérieur du bloc par une entrée 12 et une sortie 13 en forme de fentes, parallèles à l'axe X du passage 11, diamétralement opposées et ayant une hauteur n'excédant pas l'épaisseur radiale du passage tubulaire 11 Les électrodes 8 et sont reliées à un générateur haute tension et haute fréquence 14. L'électrode intérieure 10 délimite un volume interne dans lequel circule un fluide de refroidissement 15, avantageusement un Fréon. Selon l'invention, dans le mode de réalisation de la figure 1, l'appareil 20 est complété par un bloc 16 accolé au bloc générateur 1 définissant un logement longitudinal ayant une hauteur d'environ 1 mm et dans lequel est disposée la galerie chuchotante 2 avec le fond de la gouttière sensiblement parallèle au plan diamétral des entrée et sortie 12 et 13, avec un passage latéral de sortie de gaz 17 et un passage d'entrée de gaz 18 parallélépipédique prolongeant la sortie 13 du bloc 1 et dans lequel débouche transversalement un passage parallélépipédique 19 permettant l'introduction de C 02 dans l'entrée 18, via par exemple une grille d'homogénéisation 21 pour mélanger le C avec le flux d'azote excité, lequel transfère son énergie au C 02 avant introduction dans la cavité laser en excitant exclusivement le niveau supérieur de la transition laser Le faisceau laser, représenté schématiquement sur la figure 2, est elliptique et a une polarisation linéaire Le gaz entrant par un côté riche en énergie vibrationnelle et sortant vidé de cette énergie, le faisceau est dissymétrique suivant la direction du flux gazeux transversalement à la galerie 2 (axe Z) Pour annuler cette dissymétrie, on peut adopter l'agencement de la figure 4, autorisé par le guidage optique unilatéral de la galerie chuchotante, c'est-à- dire avec cette dernière placée verticalement face à l'extrémité aval 22 du passage de gaz 18 en regard du passage de sortie 13 du corps 1, les arrivées de C 02 étant alors avantageusement symétriques, 19 A, 19 B, de même que les passages de sortie de gaz 17 A, 17 B On peut également utiliser une cavité dite repliée avec trois miroirs réfléchissants 3 dont deux ( 32 ' 33) inclinés (fig 5), une cavité instable, avec un miroir ( 4) profilé et ménageant une ouverture d'échappement (fig 6) ou un guide d'onde ayant au moins une surface de guidage poreux permettant l'injection d'un flux gazeux traversant la surface D'autre part, dans le mode de réalisation de la figure 2, pour garantir qu'une partie substantielle des espèces excitées passe dans la zone contenant les photons, on peut prévoir la paroi inférieure 23 du logement de la galerie 2 avec des indentations orientées favorisant ainsi la formation d'un écoulement extrêmement turbulent dans le logement. Selon un aspect de l'invention, les miroirs 3 et 4 aux extrémités de la galerie chuchotante 2 sont constitués d'au moins une lame en diamant CII-A revêtue ou non revêtue comme décrit dans les demandes de brevet français No 92 02437 et 92 02438 au nom de la Demanderesse Comme on le voit sur la figure 3, si l'on ne souhaite pas utiliser le flux de mélange gazeux traversant la galerie 2 pour effectuer un balayage des miroirs 3 et/ou 4, on balaie ces derniers par un débit de gaz auxiliaire filtré acheminé dans un capotage 24 disposé au voisinage du miroir 3 et de dimensions légèrement supérieures à celles du mode laser de la galerie. Le gaz introduit, à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, dans le générateur 1 en provenance d'une source de gaz 25 est classiquement de l'azote L'hélium, généralement utilisé dans les lasers à mélange, n'est pas ici indispensable. L'hélium a en effet pour fonction de stabiliser la décharge et de désexciter le niveau inférieur de la transition laser L'effet stabilisateur est ici sans objet grâce à l'utilisation de la décharge froide dans le générateur 1 La désexcitation peut être assurée par adjonction, avantageusement au niveau de la zone d'introduction de Co 0, d'hydrogène ou de vapeur d'eau, introduit dans un flux de gaz vecteur par exemple, qui sont à cet égard beaucoup plus efficaces que l'hélium L'hydrogène et la vapeur d'eau désexcitant aussi le niveau supérieur de la transition laser, il est nécessaire que leur concentration soit définie avec précision La quantité d'hydrogène ne doit ainsi pas dépasser 2 ou 3 % du débit total de gaz, l'hydrogène étant de préférence introduit avec le CO 2 en aval du générateur pour éviter la désexcitation de l'azote La quantité de vapeur d'eau ne doit pas excéder 10 000 ppm et elle peut être introduite en amont, dans l'azote, ou mieux être mélangée au CO 2, en aval. On peut alimenter le générateur 1 avec de l'azote contenant jusqu'à 15 % d'oxygène, avantageusement avec une faible quantité d'oxygène n'excédant pas 8 % et obtenu par adsorption ou perméation de l'air, ce qui permet de diminuer grandement le coût de l'azote En effet, le rendement du générateur à décharge couronne 1 n'est que très légèrement diminué avec de l'azote contenant 5 % d'oxygène L'oxygène contenu dans l'azote sera partiellement transformé dans le générateur 1 en ozone, lequel pourra être efficacement détruit par de l'hydrogène mélangé au CO 2, en produisant de l'eau On peut également utiliser un mélange d'azote et d'oxygène voisin de celui de l'air, auquel cas il faudra se débarrasser d'une partie de l'humidité et veiller à ce qu'elle reste constante si elle est supérieure à 1000 ppm. Pour limiter les consommations de gaz, on prévoira avantageusement, comme représenté sur la figure 5, un circuit de recyclage des gaz faisant passer le mélange gazeux déchargé à la sortie 17 dans un dispositif de perméation à membrane 26 permettant de récupérer le CO 2, l'hélium ou l'hydrogène, réintroduits en 19, et éventuellement, pour réinjection à l'entrée 12, un azote suffisamment pur (supérieur à 99,5 %) Sur cette même figure 5, on a représenté un appareil complet pour la découpe de matériaux Le faisceau laser quittant le miroir 4 du laser 20 est adressé, via un système de couplage 27, à une galerie chuchotante multi-spires flexible 28 comportant, à son extrémité libre, un système de focalisation 29 déplaçable indépendamment du laser 20 pour suivre des profils de découpe. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas io limitée pour autant mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 Appareil laser de puissance à mélange, comprenant un générateur de flux d'azote excité ( 1) couplé à un guide d'onde ( 2) à miroirs ( 3, 4) opposés suivant une direction principale, et des moyens ( 6; 19) pour introduire un flux de CO 2 dans le flux d'azote excité avant introduction dans le guide d'onde ( 2), caractérisé en ce que le générateur ( 1) est du type à décharge électrique froide couronne fonctionnant sensiblement à la pression atmosphérique. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur ( 1) comprend une chambre de décharge tubulaire ( 11) ayant un axe (X) et à circulation de gaz transversale par rapport à l'axe (X). 3 Appareil selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la direction principale du guide d'onde ( 2) est parallèle à l'axe (X). 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le CO 2 est introduit par au moins un passage de gaz ( 18) parallèle à l'axe (X). Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le guide d'onde ( 2) est du type à galerie chuchotante. 6 Appareil selon la revendication 4 et la revendication 5, caractérisé en ce que le guide d'onde ( 2) a une forme de gouttière arquée à grand rayon de courbure et ayant une direction principale sensiblement parallèle à l'axe (X). 7 Appareil selon la revendication 4 et la revendication 6, caractérisé en ce que le fond de la gouttière ( 2) est agencé sensiblement parallèlement au flux de mélange de gaz dans le passage ( 18) (Figure 2). 8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fond de la gouttière ( 2) est agencé sensiblement perpendiculaire- ment au flux du mélange de gaz dans le passage ( 18) (Figure 4). 9 Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque miroir ( 3,4) comprend au moins une lame en diamant. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour introduire dans le mélange gazeux fourni au guide d'onde ( 2) un gaz choisi dans le groupe constitué de l'hélium, l'hydrogène et la vapeur d'eau. 11 Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que la teneur en hydrogène dans le mélange gazeux n'excède pas 3 % en volume. 12 Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que la teneur en vapeur d'eau dans le mélange gazeux n'excède pas 10 000 ppm. 13 Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz ( 25) alimentant le générateur ( 1) est un mélange d'azote et d'oxygène ayant une teneur en azote non inférieure à 85 %. 14 Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que la teneur en oxygène dans le mélange d'alimentation est d'environ %. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de recyclage du mélange de gaz quittant ( 17) le guide d'onde ( 2) et comprenant un dispositif ( 26) de séparation de C 02 et d'azote. 16 Appareil selon l'une des revendications précédentes, pour la découpe de matériaux, caractérisé en ce qu'il est couplé à une galerie chuchotante multi-spires ( 28) terminée par une tête de focalisation ( 29).