Brevet FR2701606A1 — publié le 19940819

LASER IMPULSIONNEL A GAZ, A IMPULSION DE DURE E ALLONGEE La présente invention concerne un laser impulsionnel à gaz, d'impulsion de durée allongée, comportant une cavité laser contenant deux électrodes agencées pour coopérer afin d'engendrer, sous l'effet d'un signal d'excitation, une impulsion laser dans le gaz de la cavité. Un laser impulsionnel à gaz peut être utilisé pour réaliser le marquage de matériaux ou pour effectuer des opérations de microchirurgie, par exemple pour creuser la surface d'un os ou d'une dent, et c'est dans ce domaine que la demanderesse s'est posé le problème à l'origine de l'invention, sans pour autant qu'il puisse en constituer une limitation de la portée. Par opposition à d'autres lasers, à fonctionnement continu, un laser impulsionnel classique fournit une suite d'impulsions qui n'échauffent pas le matériau cible et ne risquent donc pas de le faire éclater ou de le carboniser, du fait que ces impulsions sont de courte durée dans chaque cycle d'émission, donc ne transportent que peu d'énergie. Cependant, l'énergie stockée dans le gaz devant être transmise en un très court instant, les impulsions optiques ont une intensité qui parfois dépasse un seuil admissible. Pour tenter de remédier à ce problème, on a cherché à maîtriser la libération de l'énergie du gaz, en allongeant la durée de l'impulsion optique, donc en diminuant d'autant la puissance optique instantanée. L'article "A TEA C02 laser with output pulse length adjustable from 50 ns to over to mus", de A. GIRARD et A. J. BEAULIEU, IEEE Journal of Quantum Electronics, Juin 1974, enseigne d'allonger l'impulsion laser en modifiant la composition gazeuse dans la cavité laser pour obtenir alors une impulsion nettement plus longue, de puissance instantanée moindre. 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. Cependant, s'il existe un défaut d'homogénéité d'une électrode, la répartition du champ électrique est déséquilibrée et accentue l'appel de courant vers le défaut, ce qui peut créer un arc électrique localisé qui interrompt l'impulsion et peut même détruire le laser. Pour éviter le déséquilibre ci-dessus, on a tenté de créer, dans les lasers à durée allongée d'impulsion de l'art antérieur, un champ électrique initial très bien réparti, en utilisant des électrodes électriquement et mécaniquement homogènes avec des circuits auxiliaires d'équilibrage du champ, et en limitant la durée de l'excitation. L'accroissement de la durée d'impulsion présente donc l'inconvénient d'entraîner un surcoût et se heurte au problème de la stabilité temporelle du champ électrique, non encore parfaitement résolu, du fait de ses dérives en cours d'impulsion qu'on ne parvient pas encore à corriger. Or, pour certaines applications, il est souhaitable de disposer d'impulsions encore plus longues, dont on puisse maîtriser la forme, alors qu'actuellement on n'en contrôle que l'amplitude maximale et ce, sur une durée limitée. La présente invention vise à résoudre ce problème. A cet effet, l'invention concerne un laser du type mentionné ci-dessus, caractérisé par le fait qu'unie desdites électrodes est formée de plusieurs portions d'électrode agencées pour coopérer indépendamment les unes des autres avec l'autre électrode, afin d'engendrer, sous l'effet de signaux d'excitation propres, une pluralité d'impulsions laser élémentaires formant ladite impulsion. Ainsi, grâce à l'invention, on peut exciter séparément différents volumes de gaz et engendrer une impulsion optique composite qui est la somme des impulsions élémentaires issues de ces volumes. La durée de l'impulsion composite peut ainsi être allongée, sans contrainte technologique sur les portions de l'électrode. A long terme, la stabilité du champ électrique importe peu. De plus, comme le volume de gaz concerné par chaque portion d'électrode dépend de la surface de celle-ci, la création de portions d'électrode de surfaces différentes permet, par un choix approprié de l'ordre du séquencement de leurs excitations, de choisir l'amplitude des impulsions optiques élémentaires, afin d'obtenir une impulsion composite de forme appropriée. Avantageusement, les deux électrodes sont formées de plusieurs portions agencées pour respectivement coopérer entre elles. Ainsi, la forme des lignes de champ, donc celle du volume de gaz concerné, est mieux maîtrisée et les interférences électrique et optique entre les effets de portions voisines sont limitées. Avantageusement encore, lesdites portions de l'une des électrodes, d'excitation, sont agencées pour être reliées à des sorties parallèles d'un circuit séquenceur agencé pour séquencer de façon ordonnée les signaux d'excitation. Les diverses excitations électriques peuvent ainsi être différentes, si besoin est, et même être réglées d'une utilisation à une autre. Tout aussi avantageusement, lesdites portions de l'une des électrodes, d'excitation, sont reliées à des sorties d'un circuit à retard recevant un signal d'excitation. Le circuit d'excitation est simple, car unique, et peut être réglable en amplitude et durée d'excitation. On remarquera que le circuit à retard a un rôle temporel et qu'il peut être prévu des circuits de mise en forme du signal d'excitation reliant respectivement lesdites sorties du circuit à retard aux portions d'électrode, afin de régler la durée et l'amplitude de l'excitation effectivement appliquée à la portion d'électrode concernee. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de deux formes de réalisation préférées du laser de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue selon une section longitudinale du laser à gaz à excitation multiple par circuits parallèles, selon la première forme de réalisation, - la figure 2 illustre la forme de l'impulsion optique composite obtenue, - la figure 3 est un schéma d'un circuit d'excitation du laser, - la figure 4 illustre la forme d'une impulsion électrique d'excitation et - la figure 5 est une vue selon- une section longitudinale du laser à gaz à excitation multiple par circuits en série, selon la seconde forme de réalisation. Le laser impulsionnel à gaz de la figure 1, ici du type transverse électrique, comporte une cavité laser 1, d'axe optique 2, remplie de gaz. Dans la cavité 1, une anode 3 et une cathode multiple 4 en regard, disposées dans des plans perpendiculaires à celui de la figure, s'étendent longitudinalement de part et d'autre de l'axe 2. Aux deux extrémités de la cavité 1, se trouvent respectivement deux miroirs 5 et 6, disposés perpendiculairement à l'axe 2 et sur celui-ci, le miroir 6 étant semi-transparent. Un circuit 8 séquenceur d'excitation comporte des sorties, ici quatre, reliées en propre à une entrée de commande 12, 22, 32 et 42 de quatre circuits d'excitation 11, 21, 31 et 41. De façon connue, le circuit séquenceur 10 est agencé pour produire une séquence d'impulsions d'amplitudes, durées et espacements déterminés sur ses sorties respectives. Des sorties 13, 23, 33 et 43 des circuits d'excitation 11, 21, 31 et 41 sont reliées en propre à des portions d'électrode 51, 52, 53 et 54, constituant la cathode 4, qui délimitent respectivement, avec l'anode 3, des volumes de gaz 56, 57, 58 et 59. Une source haute tension 7, de débit limité, est reliée à des entrées d'alimentation 14, 24, 34 et 44 des circuits respectifs 11, 21, 31, 41, tandis que des sorties correspondantes de masse 15, 25, 35 et 45 sont reliées à la masse de la source 7 et à l'anode 3. La source 7 est protégée contre les court-circuits. Les circuits 11, 21, 31 et 41 sont, ici, identiques et seul l'un (11) va être décrit en détail. Les éléments homologues entre les circuits 11, 21, 31, 41 portent une référence de même unité, avec une dizaine qui est celle du circuit 11, 21, 31 et 41 correspondant. Un condensateur 16 est branché entre l'entrée d'alimentation 14 et la sortie 13, tandis que deux électrodes opposées d'un éclateur 17 sont respectivement reliées à l'entrée d'alimentation 14 et à la sortie de masse 15. Une électrode de commande de l'éclateur 17 est reliée à l'entrée 12, tandis qu'une résistance 18 relie les sorties 13 et 15. On comprendra que les éléments électroniques d'excitation peuvent être considérés comme étant séparés ou bien comme intégrés au laser. Le fonctionnement du laser est expliqué ci-dessous. Les condensateurs 16, 26, 36 et 46 sont initialement chargés à la valeur de la haute tension, à travers la résistance 18, 28, 38 et 48 associée, les éclateurs 17, 27, 37 et 47 sont à l'état bloqué, les sorties du séquenceur 10 étant à un état inactif. A un instant donné, la sortie reliée à l'entrée 12 passe à un état actif, ce qui fait passer à l'état conducteur l'éclateur 17. Le condensateur 16 se décharge alors à travers le volume de gaz 56 et l'éclateur 17. Lorsque se termine la décharge du condensateur 16, le courant de décharge tombe à zéro et l'éclateur 17 s'éteint. Le condensateur 16 se recharge alors à la valeur de la haute tension. Ainsi, lorsque l'éclateur 17 se désamorce par manque d'énergie électrique, le circuit 11 reprend progressivement son état initial. Le volume 56 de gaz est ainsi excité pendant la durée de l'impulsion électrique sur la cathode 51 et produit une impulsion laser 61, représentée par son intensité I en fonction du temps t sur la figure 2, sortant du miroir semi-transparent 6. Le circuit séquenceur 8 envoie ensuite une autre impulsion électrique, sur l'entrée 22 du circuit 21, ce qui a pour effet d'engendrer, à partir du volume 57 de gaz, une autre impulsion laser (62). On peut ainsi engendrer jusqu'à, ici, quatre impulsions optiques élémentaires 61, 62, 63 et 64, toutes représentées schématiquement sur la figure 2, qui, si, comme ici, elles se chevauchent, permettent d'obtenir une impulsion unique composite 65. On comprendra que, si besoin est, les impulsions électriques appliquées aux cathodes 51-54 peuvent se superposer temporellement, au moins partiellement, afin que s'ajoutent les parties énergétiques, et non simplement les traînées, des impulsions optiques 61-64 de chaque volume de gaz 56-59. Les circuits 11, 21, 31 et 41 pourraient aussi être intégrés dans le circuit séquenceur 8. I1 peut aussi être prévu de disposer de cathodes 51-54 de tailles différentes et éventuellement d'en choisir l'ordre relatif pour les exciter, afin de régler de façon voulue la forme de l'impulsion composite 65. La figure 3 est un schéma d'un circuit pour engendrer une impulsion d'excitation. I1 comporte un éclateur 70 alimenté sur une de ses électrodes par une source haute tension 71 à travers une résistance 72, tandis qu'une électrode opposée est à la masse. Une électrode de commande permet d'amorcer l'éclateur 70. En parallèle sur les deux électrodes opposées de l'éclateur 70 sont branchés un condensateur 73 en série avec le primaire 74 d'un transformateur 75, élévateur de tension. Le secondaire 76 du transformateur 75 est à la masse d'un côté, tandis qu'un condensateur 77, l'anode 3, à la masse, associée à la portion de cathode 51 du laser et une diode haute tension 78, avec sa cathode à la masse, sont branchés en parallèle dessus. Un condensateur 79 est branché entre une électrode de pré-ionisation, représentée par des pointillés, et la masse. Lorsque l'éclateur 70 est amorcé, il fournit une impulsion qui produit une impulsion négative 80 à son secondaire 76, représentée par sa tension V sur la figure 4 en fonction du temps t, sur la portion de cathode 51, ce qui crée une impulsion laser. Lorsque l'impulsion décroît au secondaire 76, le circuit LC 76-77 tend à osciller et à fournir une tension positive 81, représentée par des pointillés, ce qui risquerait de créer un arc en sens inverse, qui absorberait alors l'énergie de la fin de l'impulsion laser et perturberait aussi une impulsion suivante provenant d'une autre portion de cathode, comme 52. Cependant, dans ce schéma, la diode haute tension 78 court-circuite, selon la courbe 82, le secondaire 76 lorsque la cathode 51 devient positive, ce qui évite tout amorçage inverse. Le laser de la figure 5 comporte les mêmes éléments que ceux du laser de la figure 1, avec la même fonction, hormis les éclateurs 17, 27, 37 et 47, remplacés par un seul éclateur 67, tandis que la source haute tension n'est pas reliée directement à tous les circuits 11, 21, 31 et 41. Les éléments de la figure 5 portent la référence de l'élément correspondant de la figure 1, avec la centaine 1. L'éclateur 67 est branché en parallèle, par des électrodes opposées, sur une source haute tension 107 et une électrode de commande de l'éclateur 107 est reliée à la sortie unique d'un circuit de commande 9 agencé pour fournir une impulsion électrique d'amorçage de l'éclateur 107, de durée déterminée. Les entrées 114, 124, 134 et 144 sont reliées en série par une suite de trois lignes à retard, ici des inductances respectivement 129, 139 et 149, tandis qu'une inductance 119 relie l'entrée 114 au point haute tension commun à la source 107 et à 1'éclateur 67. Le fonctionnement du laser ci-dessus est le suivant. Une impulsion électrique issue du circuit 9 amorce l'éclateur 67 qui produit un court-circuit temporaire de la source 107. L'impulsion négative correspondante se propage sur la ligne à retard formée des inductances 119, 129, 139 et 149 et est transmise successivement aux cathodes 51, 52, 53 et 54, ce qui, comme expliqué précédemment, produit une impulsion optique composite formée, ici obligatoirement, de quatre impulsions élémentaires provenant des volumes de gaz 156, 157, 158 et 159. On remarquera que la présence de l'inductance 119, qui peut être réglable afin de faire varier l'instant de l'impulsion optique, n'est cependant pas nécessaire de ce point de vue, mais peut cependant contribuer à la mise en forme du signal d'excitation. Pour l'un et l'autre des lasers, il est à noter, comme indiqué précédemment, que les surfaces des diverses cathodes peuvent être différentes ce qui permet de régler la forme de l'impulsion composite 65. De même, on comprendra que les éclateurs ne sont pas le seul moyen possible pour créer une impulsion électrique et que, de plus, on peut prévoir de régler l'amplitude de chaque impulsion, même éventuellement pendant l'impulsion. Par ailleurs, il peut être prévu de séparer l'anode 3 en, ici, quatre portions d'anode, respectivement en regard des portions de cathode 51-54, ce qui confine mieux les lignes de champ électrique, ou en regard d'une cathode d'un seul tenant. REVENDICATIONS 1. Laser impulsionnel à gaz, d'impulsion de durée allongée, comportant une cavité laser (1) contenant deux électrodes (3, 4) agencées pour coopérer afin d'engendrer, sous l'effet d'un signal d'excitation, une impulsion laser (65) dans le gaz (56-59) de la cavité (1), caractérisé par le fait qu'une desdites électrodes (4) est formée de plusieurs portions d'électrode (51-54) agencées pour coopérer indépendamment les unes des autres avec l'autre électrode (3), afin d'engendrer, sous l'effet de signaux d'excitation propres, une pluralité d'impulsions laser élémentaires (61-64) formant ladite impulsion (65). 2. Laser selon la revendication 1, dans lequel les deux électrodes (3, 4) sont formées de plusieurs portions agencées pour respectivement coopérer entre elles. 3. Laser selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel lesdites portions (51-54) de l'une des électrodes, d'excitation, sont agencées pour être reliées à des sorties parallèles d'un circuit séquenceur (8) agencé pour séquencer de façon ordonnée les signaux d'excitation. 4. Laser selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel lesdites portions (151-154) de l'une des électrodes, d'excitation, sont reliées à des sorties d'un circuit à retard (119, 129, 139, 149) recevant un signal d'excitation. 5. Laser selon la revendication 4, dans lequel il est prévu des circuits de mise en forme (111, 121, 131, 141) du signal d'excitation reliant respectivement lesdites sorties du circuit à retard (119, 129, 139, 149) aux portions d'électrode (151, 152, 153, 154). 6. Laser selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel il est prévu une diode (78) entre une portion d'électrode (51-54) et l'autre électrode (3).