Brevet FR2700897A1 — publié le 19940729

La présente invention concerne un dispositif laser et, plus particu- lièrement, un dispositif dans lequel le milieu actif est une vapeur métallique, par exemple de la vapeur de cuivre. En général, les appareils lasers exigent qu'en plus du matériau qui est ou qui forme le milieu actif un gaz tampon ou un mélange de gaz tampons soit également inclus dans un tube à décharge pour permettre le maintien d'une pression de gaz suffisante pour que l'effet laser soit possible On a constaté que l'introduction de petites quantités d'hydrogène dans un gaz tampon tel que le néon peut améliorer le rendement de fonctionnement du laser dans certains cas, bien que le mécanisme par lequel cette introduction facilite l'effet laser ne soit pas encore élucidé D'autres gaz tels que le deutérium, l'azote et l'oxygène peuvent également augmenter le rendement lorsqu'ils sont ajoutés au milieu actif et au gaz tampon En général, les quantités nécessaires pour que ces gaz qui améliorent le rendement soient efficaces sont bien plus faibles que la quantité de gaz tampon principal et, dans un dispositif typique, la pression partielle des gaz améliorant le rendement est fois inférieure à celle du gaz tampon principal. La présente invention est basée sur l'utilisation de l'hydrogène ou d'autres gaz améliorant le rendement dans des dispositifs lasers. Selon la présente invention, il est proposé un dispositif laser compre- nant une enveloppe laser contenant un matériau qui, pendant le fonctionnement du dispositif, constitue au moins une partie du milieu actif, un gaz tampon principal ou un mélange de gaz tampons principaux et un dispositif formant réservoir situé à l'intérieur de l'enveloppe laser pour fournir de l'hydrogène, ou tout autre gaz dont la présence améliore le rendement laser, au milieu actif et au gaz tampon principal sous une pression partielle qui dépend de la température du dispositif formant réservoir, température qui est déterminée sensiblement uniquement par l'échauf- fement qui se produit à l'intérieur de l'enveloppe du fait du fonctionnement du dispositif laser. Le gaz améliorant le rendement peut également faire partie du gaz tampon lorsqu'il est libéré dans le milieu actif, mais il est différent du gaz tampon principal ou du mélange de gaz principaux sans lequel il n'est pas possible de produire un rayon laser dans les conditions normales de fonctionnement. Selon l'invention, le chauffage du dispositif formant réservoir est assuré par le processus normal qui se déroule dans le dispositif pour obtenir un rayon laser, qui peut être obtenu par exemple par des décharges électriques établies à l'intérieur de l'enveloppe laser La température est déterminée sensiblement uniquement par ce phénomène étant donné qu'aucun dispositif particulier n'est prévu pour chauffer le dispositif formant réservoir Il n'est donc pas nécessaire de prévoir des circuits de chauffage compliqués pour fournir un courant électrique à des résistances à des moments particuliers du cycle de fonctionnement du laser. Grâce à l'invention, le chauffage du dispositif formant réservoir à sa température optimale peut être obtenu automatiquement pendant le fonctionnement du dispositif laser, ce qui réduit le risque de dysfonctionnements La température du dispositif formant réservoir est déterminée par la géométrie du dispositif laser et par la température nécessaire dans le milieu actif pour obtenir la production d'un rayon laser dans des conditions de régime permanent Il est donc possible de calculer la distribution de la température dans le dispositif et donc la ou les positions optimales pour le dispositif formant réservoir. Grâce à la position du dispositif formant réservoir et donc à la tempé- rature qu'il atteint pendant le fonctionnement normal du dispositif laser, il est possible de contrôler la quantité d'hydrogène ou d'un autre gaz libéré dans l'enveloppe de manière à obtenir une pression partielle optimale à laquelle un équilibre dynamique s'établit Par exemple, dans un dispositif laser à vapeur de cuivre, le milieu actif est maintenu à une température située au voisinage de 1 500 C et est entouré par des couches de matériau isolant de manière que la température de la surface externe du dispositif soit de l'ordre de 200 C Lorsque l'on souhaite utiliser l'hydrogène pour améliorer le rendement laser, il est possible de le fournir au moyen d'un dispositif formant réservoir contenant un hydrure tel que l'hydrure de titane La pression partielle optimale de l'hydrogène dans le milieu actif est obtenue lorsque le dispositif formant réservoir est chauffé à environ 600 'C Comme il est possible de calculer le gradient de température sur le rayon du dispositif laser, il est possible de positionner le ou les dispositifs formant réservoir contenant l'hydrure de titane en un emplacement voulu sur le rayon pour produire un volume particulier d'hydrogène dégagé. En plaçant le dispositif formant réservoir de manière appropriée, il est donc possible de libérer avec précision la quantité voulue d'hydrogène ou d'un autre gaz dans le milieu actif sans appareillage de contrôle complexe En outre, étant donné que le dispositif formant réservoir est situé à l'intérieur de l'enveloppe, l'ensemble de la structure peut être rendu robuste car il n'est pas nécessaire de prévoir des bras latéraux destinés à recevoir le dispositif formant réservoir Il n'est pas nécessaire non plus de prévoir un accès au dispositif formant réservoir depuis l'extérieur, par exemple pour la fourniture d'un courant électrique de chauffage. Lorsque le dispositif laser cesse de fonctionner, la température qui règne à l'intérieur de l'enveloppe décroît Comme la température du dispositif formant réservoir décroît également, l'hydrogène ou un autre gaz améliorant le rendement qui est présent à l'intérieur du tube est recueilli dans le dispositif formant réservoir o il se combine avec le matériau restant dans le réservoir De ce fait, il est possible d'utiliser des quantités relativement faibles d'hydrure pour garantir de longues durées de fonctionnement avant qu'une recharge soit nécessaire. L'invention est appliquée de manière particulièrement avantageuse lorsque le milieu actif est une vapeur métallique, mais elle peut être appliquée également à d'autres types de lasers. De préférence, le dispositif formant réservoir comprend plusieurs réservoirs Ceux-ci peuvent être placés symétriquement autour de l'axe longitu- dinal du dispositif laser et, de manière avantageuse, ils sont disposés spatialement sur un cercle dans un plan transversal à l'axe longitudinal du dispositif Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les réservoirs sont situés sur plusieurs cercles concentriques dans le même plan transversal à l'axe longitudinal en formant un agencement de réservoirs particulièrement compact. Le dispositif formant réservoir peut consister en ouvertures pratiquées dans un composant prévu normalement dans le dispositif laser et dans lesquelles est situé un matériau formant réservoir tel qu'un hydrure ou un deutériure. Cependant, de manière avantageuse, le dispositif formant réservoir comprend au moins un récipient contenant un matériau qui dégage de l'hydrogène ou un autre gaz Ce peut être par exemple un récipient en palladium à paroi mince qui peut être traversé par les molécules de gaz, de sorte que sa présence n'a sensiblement pas d'influence sur l'équilibre dynamique Les récipients de ce type permettent une manipulation facile des réservoirs lors de l'assemblage et de l'utilisation du dispositif laser. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'inven- tion, le dispositif formant réservoir est situé dans l'enveloppe laser entre les électrodes entre lesquelles une décharge électrique est établie pendant le fonc- tionnement du dispositif Dans ce cas, le milieu actif n'a que peu de chemin à parcourir pour accéder au gaz dégagé par le réservoir. De manière avantageuse, l'enveloppe est scellée si bien qu'elle n'est pas traversée par le gaz tampon pendant le fonctionnement Le dispositif laser selon la présente invention convient particulièrement bien pour un mode de fonctionnement scellé car une fois que le matériau formant réservoir est situé dans l'enveloppe aucune opération de recharge n'est nécessaire pendant le fonc- tionnement normal. De préférence, le gaz tampon ou le mélange de gaz tampons comprend un ou des gaz nobles tels que le néon, l'hélium ou l'argon De manière avantageuse, le gaz tampon a une pression partielle située dans la plage de 666,5 à 1,013 x 105 Pa ( 5 torr à 1 atmosphère) et l'hydrogène ou un autre gaz a une pression partielle située dans la plage de 13,3 à 1333 Pa ( 0,1 à 10 torr). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'un dispositif laser à vapeur métallique, et, la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne I-11 de la figure 1. Comme le montrent les figures 1 et 2, un dispositif laser à vapeur de cuivre selon la présente invention a une configuration sensiblement cylindrique et comprend une enveloppe à vide externe en verre 1 disposée de manière coaxiale autour de l'axe longitudinal X-X et entourant un tube d'alumine 2 Un matériau thermiquement isolant 3, situé entre l'enveloppe 1 et le le tube 2, comprend une substance à base d'alumine compactée Des fenêtres d'extrémité 4 et 5 sont situées sur l'axe X-X qui est également l'axe optique le long duquel le rayon laser est produit pendant le fonctionnement du dispositif Le dispositif comprend en outre deux électrodes 6 et 7 aux deux extrémités du tube d'alumine 2, entre lesquelles une décharge est établie pour fournir au milieu actif l'énergie de pompage et d'excitation Les électrodes 6 et 7 sont reliées à des éléments métalliques 8 et 9 qui assurent la connexion électrique des électrodes Le milieu actif étant dans ce cas de la vapeur de cuivre, du cuivre 10 sous forme de poudre ou de fragments est réparti à l'intérieur du tube d'alumine 2 avant la mise en marche du dispositif. Une multiplicité d'ouvertures cylindriques 11 sont pratiquées dans le matériau isolant 3 au niveau de ses faces extrêmes adjacentes aux éléments métalliques 8 et 9, les ouvertures 11 étant disposées symétriquement autour de l'axe X-X La figure 2 représente le groupe d'ouvertures 11 situé à l'extrémité gauche du dispositif, les ouvertures situées à l'extrémité droite étant agencées symétriquement Les ouvertures s'étendent parallèlement à l'axe X-X et sont disposées de manière équidistante sur deux cercles concentriques en étant décalées les unes des autres d'un cercle à l'autre Chaque ouverture a un diamètre d'environ 2 mm et contient un récipient 12 à paroi de palladium qui, dans ce mode de réalisation de l'invention, contient de l'hydrure de titane pulvérulent Des inters- tices entre les faces extrêmes du matériau isolant 3 et les éléments métalliques 8 et 9 permettent aux atomes et molécules de gaz de circuler entre les récipients 12 et l'intérieur du tube d'alumine 2 Dans un autre mode de réalisation (non représenté), il n'y a pas d'interstice entre le matériau isolant et les éléments métalliques, le gaz diffusant des récipients 12 au volume d'amplification laser en traversant l'isolation qui l'enroule. L'enveloppe 1 contient un gaz tampon constitué par du néon sous une pression de 1333 Pa ( 10 torr) L'enveloppe 1 est scellée, si bien que le gaz tampon ne la traverse pas pendant le fonctionnement. Pendant le fonctionnement du dispositif, les décharges électriques répétées entre les électrodes 6 et 7 provoquent un échauffement de l'intérieur du dispositif à une température d'environ 1 500 SC A cette température, le cuivre 10 se vaporise et est excité, si bien que l'on obtient une inversion de population et donc la formation d'un rayon laser. Lorsque la température interne du dispositif laser croît initialement, lépaisseur et les propriétés de conduction thermique du matériau isolant 3 créent un gradient de température en direction radiale, de sorte que la surface externe de l'enveloppe à vide atteint une température d'environ 200 C et demeure à cette température La température au niveau des deux cercles o sont situés les récipients 12 croît elle aussi progressivement pour atteindre, au bout d'environ min, une valeur d'équilibre d'environ 600 C Lorsque la température de l'hydrure de titane augmente, il se produit-un dégagement d'hydrogène qui franchit les interstices entre le matériau isolant 3 et les éléments métalliques 8 et 9 pour parvenir dans le volume d'amplification laser La pression partielle de l'hydrogène croît avec la température du matériau des réservoirs jusqu'à ce qu'elle atteigne finalement une pression d'équilibre lorsque la température finale de 600 C est atteinte A cette température, la pression partielle de l'hydrogène dans le volume actif est d'environ 66,65 Pa ( 0,5 torr) L'hydrogène contribue à l'amorçage de l'effet laser et au fonctionnement du dispositif laser en augmentant son rendement de fonctionnement. Lorsque le fonctionnement du dispositif laser est interrompu, l'intérieur défini par l'enveloppe 1 refroidit lentement Lorsque l'hydrure de titane présent dans les récipients 12 se refroidit, il absorbe l'hydrogène contenu dans le volume actif jusqu'à ce que sensiblement la totalité de l'hydrogène présent dans le dispositif soit de nouveau dans les réservoirs 12. Si l'on souhaite utiliser le deutérium comme élément améliorant le rendement, il est possible d'utiliser comme matériau pour les réservoirs un deutériure tel que le deutériure de titane. Bien que l'invention ait été décrite dans le cas d'un laser à vapeur de cuivre, elle est tout aussi applicable au laser à or ou à tout autre métal, mélange de métaux, vapeurs et à d'autres types de lasers De même, le matériau formant les réservoirs est choisi de manière à dégager le gaz améliorant le rendement voulu Le positionnement d'un ou plusieurs réservoirs est déterminé par les gradients thermiques établis dans les conditions de fonctionnement et par la température à laquelle la quantité voulue de gaz est libérée. Le gaz améliorant le rendement peut être l'hydrogène, le deutérium, l'azote ou l'oxygène ou un mélange de ces gaz. REVENDICATTONS 1 Dispositif laser comprenant une enveloppe ( 1) contenant un matériau qui, en fonctionnement, constitue au moins une partie du milieu actif, et un gaz tampon principal ou un mélange de gaz tampons principaux, caractérisé par un dispositif formant réservoir ( 12) situé à l'intérieur de l'enveloppe ( 1) pour fournir de l'hydrogène, ou tout autre gaz dont la présence améliore le rendement laser, au milieu actif et au gaz tampon principal sous une pression partielle qui dépend de la température du dispositif formant réservoir ( 12), laquelle température est déterminée sensiblement uniquement par l'échauffement qui se produit dans l'enveloppe ( 1) par suite du fonctionnement du dispositif. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu actif est une vapeur métallique. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif formant réservoir comprend une multiplicité de réservoirs ( 12). 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les réservoirs ( 12) sont disposés spatialement sur un cercle dans un plan transversal à l'axe longitudinal du dispositif. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les réservoirs ( 12) sont disposés sur plusieurs cercles coaxiaux disposés coaxialement à l'axe longitudinal. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif formant réservoir comprend au moins un récipient ( 12) contenant un matériau qui dégage de l'hydrogène ou un autre gaz lorsque le réservoir est chauffé. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif formant réservoir est situé dans l'enveloppe ( 1) entre les électrodes ( 6, 7) entre lesquelles une décharge électrique est établie pendant le fonctionnement. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 1) est scellée, de sorte qu'elle n'est pas traversée par le gaz tampon pendant le fonctionnement. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lorsque le gaz améliorant le rendement est l'hydrogène, le dispositif formant réservoir ( 12) comprend un hydrure. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, lorsque l'autre gaz est le deutérium, le dispositif formant réservoir ( 12) comprend un deutériure. 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz tampon ou mélange de gaz tampons comprend un ou des gaz nobles. 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz tampon a une pression située dans la plage de 666,5 à 1,013 x 105 Pa ( 5 torr à 1 atmosphère) et l'hydrogène ou ledit autre gaz a une pression partielle située dans la plage de 13,3 à 1 333 Pa ( 0,1 à 10 torr).