Brevet FR3045966A1 — publié le 20170623

L'invention concerne le domaine des cathodes intégrées dans des dispositifs de laser à gaz tels que ceux utilisés pour fabriquer des gyrolasers. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Un gyrolaser est un gyroscope qui utilise, pour mesurer une vitesse angulaire, un dispositif de laser à gaz. Le dispositif de laser à gaz comporte classiquement un bloc optique, des miroirs, deux anodes et une cathode. Un circuit optique est défini dans le bloc optique. Le circuit optique comprend les miroirs et une pluralité de capillaires ménagés dans le bloc optique, et renferme un milieu amplificateur (par exemple, un mélange de gaz tels que du néon et de l'hélium). Une tension électrique élevée est appliquée entre les deux anodes et la cathode. La tension électrique élevée ionise le milieu amplificateur, produit un plasma dans le circuit optique et génère par effet laser deux ondes qui se propagent dans le circuit optique en sens opposé, selon un même trajet. La vitesse angulaire est obtenue à partir d'une mesure interférométrique d'une différence de fréquence entre les deux ondes. Lorsque le plasma est établi, des cations du plasma sont attirés par la cathode et entrent en collision avec une surface interne métallique de la cathode émettrice d'électrons. La surface interne métallique de la cathode subit alors un phénomène de pulvérisation qui arrache des atomes métalliques de la surface interne métallique de la cathode. Pour réduire les effets du phénomène de pulvérisation, on revêt la surface interne métallique de la cathode d'une couche d'oxyde réfractaire peu sensible au phénomène de pulvérisation. Le phénomène de pulvérisation finit cependant par user la couche d'oxyde réfractaire et donc par dégrader la cathode, ce qui réduit la durée de vie du dispositif de laser à gaz et donc du gyrolaser. 3045966 2 OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet d'augmenter la durée de vie d'un dispositif de laser à gaz et donc d'un gyrolaser qui utilise un tel dispositif de laser à gaz. 5 RESUME DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose une cathode pour dispositif de laser à gaz, comportant une cavité intérieure ayant une forme présentant un axe de révolution dans le prolongement d'une entrée de gaz dans 10 la cavité intérieure. La forme de la cavité intérieure est définie par une première surface centrée sur l'entrée de gaz et une deuxième surface faisant face à l'entrée de gaz, la première surface et la deuxième surface étant chacune une portion d'ellipsoïde de révolution concave 15 ayant un axe de révolution confondu avec l'axe de révolution de la forme de la cavité intérieure. La forme de la cavité intérieure de la cathode permet de minimiser et de répartir uniformément le flux des ions issus du plasma, et leur énergie à l'intérieur 20 de la cavité intérieure. On réduit ainsi l'effet des ions sur la couche réfractaire d'oxyde en limitant les phénomènes de pulvérisation que subit la cavité intérieure de la cathode. La durée de vie du dispositif de laser à gaz dans lequel est intégrée la cathode est 25 donc augmentée. L'invention concerne également un dispositif de laser à gaz et un gyrolaser comprenant une telle cathode. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description 30 qui suit d'un mode de réalisation particulier, non limitatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence au dessin annexé qui comprend une figure unique représentant une vue en coupe d'une 35 cathode pour dispositif de laser à gaz selon l'invention. 3045966 3 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure unique, la cathode 1 pour dispositif de laser à gaz de l'invention est intégrée dans un gyrolaser 2. 5 La cathode 1 a une forme générale extérieure cylindrique présentant un axe de révolution Xl. La cathode 1 comporte une cavité intérieure 3 et une entrée de gaz 4 permettant à un gaz de pénétrer à l'intérieur de la cathode 1. 10 La cavité intérieure 3 a une forme présentant un axe de révolution X2 qui s'étend dans le prolongement de l'entrée de gaz 4. L'axe de révolution X2 de la forme de la cavité intérieure 3 est confondu avec l'axe de révolution X1 de la forme générale extérieure cylindrique 15 de la cathode 1. La forme de la cavité intérieure 3 est définie par une première surface 5 centrée sur l'entrée de gaz 4 et par une deuxième surface 6 faisant face à l'entrée de gaz 4 et ayant un bord circulaire se confondant avec un bord 20 circulaire de la première surface 5. La première surface 5 est une première portion d'ellipsoïde de révolution, concave et de hauteur hl. Cette première portion d'ellipsoïde de révolution a un axe de révolution X3 confondu avec l'axe de révolution X2 25 de la forme de la cavité intérieure 3 et donc avec l'axe de révolution X1 de la forme générale extérieure cylindrique de la cathode 1. La deuxième surface 6 est une deuxième portion d'ellipsoïde de révolution, concave et de hauteur h2. 30 Cette deuxième portion d'ellipsoïde de révolution a un axe de révolution X4 confondu lui aussi avec l'axe de révolution X2 de la forme de la cavité intérieure 3 et donc avec l'axe de révolution X1 de la forme générale extérieure cylindrique de la cathode 1. La hauteur h2 de 35 la deuxième surface 6 est supérieure à la hauteur hl de 3045966 4 la première surface 5. La deuxième surface 6 forme un dôme de la cavité intérieure 3 de la cathode 1. Outre la cathode 1, le gyrolaser comporte notamment un bloc optique 7. Le bloc optique 7 comprend une 5 pluralité de capillaires formant un circuit optique qui renferme un milieu amplificateur, en l'occurrence un mélange de gaz 9, ici du néon et de l'hélium. La cathode 1 est positionnée sur une surface externe 11 du bloc optique 7. La cathode 1 est ici fixée à la 10 surface externe 11 du bloc optique 7 grâce à un joint en indium écrasé à froid (non représenté sur la figure unique). La cavité intérieure 3 de la cathode 1 et l'un des capillaires 8 du circuit optique sont mis en 15 communication grâce à un orifice de sortie de gaz 12 ménagé dans le bloc optique 7. L'orifice de sortie de gaz 12 comporte une première portion cylindrique 13 et une deuxième portion cylindrique 14 de diamètre supérieur à la première 20 portion cylindrique 13. La première portion cylindrique 13 comporte une extrémité qui forme une première extrémité de l'orifice de sortie de gaz 12 et qui débouche dans le capillaire 8 du circuit optique du bloc optique 7. La deuxième portion cylindrique 14 comporte 25 une extrémité qui forme une deuxième extrémité de l'orifice de sortie de gaz 12 et qui débouche dans la cavité intérieure 3 de la cathode 1 via l'entrée de gaz 4 de la cathode 1. Lorsque la cathode 1 est montée sur le bloc optique 30 7 et que le circuit optique est rempli par le mélange de gaz 9, le mélange de gaz 9 s'étend au travers de l'orifice de sortie de gaz 12 et remplit la cavité intérieure 3 de la cathode 1. Avantageusement, on utilise pour fabriquer la 35 cathode 1 un matériau électro-émissif, c'est-à-dire un 3045966 5 matériau qui présente une bonne électroémissivité. La bonne électroémissivité est principalement attribuable à la couche interne ou à la surface d'un matériau massif. Avantageusement encore, le matériau utilisé pour 5 fabriquer la cathode 1 possède un coefficient de dilatation linéaire le plus faible possible pour assurer une bonne compatibilité avec le Zérodur®, qui est un matériau classiquement utilisé pour fabriquer le bloc optique 7. 10 Avantageusement encore, le matériau utilisé pour fabriquer la cathode 1 possède une porosité faible pour être étanche. Le matériau utilisé pour fabriquer la cathode 1 peut être conducteur ou non. S'il n'est pas conducteur, la 15 couche interne de la cathode 1 doit être en liaison électrique avec l'extérieur. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais, bien au contraire, couvre toute variante entrant dans le cadre de 20 l'invention tel que défini par les revendications. Bien que l'on ait indiqué que la cathode présente une forme générale extérieure cylindrique, la forme extérieure de la cathode pourrait bien sûr être différente. La forme interne de l'orifice de sortie de 25 gaz pourrait elle aussi être différente. Bien que l'on ait indiqué que le milieu amplificateur est un mélange de gaz néon et hélium, il est possible d'utiliser un mélange de gaz différent (par exemple, un mélange comportant de l'argon ou bien du 30 dioxyde de carbone). Enfin, on a décrit ici une application dans laquelle la cathode est intégrée dans un dispositif de laser à gaz utilisé pour mettre en oeuvre un gyrolaser. On peut bien sûr intégrer la cathode dans un dispositif de laser à gaz 35 quelconque tel qu'un dispositif de soudage laser, de 3045966 6 découpage laser, de traitement de matériaux, etc. REVENDICATIONS1. Cathode pour dispositif de laser à gaz, comportant une cavité intérieure (3) ayant une forme présentant un axe de révolution (X2) dans le prolongement d'une entrée de gaz (4) dans la cavité intérieure (3), caractérisée en ce que la forme de la cavité intérieure (3) est définie par une première surface (5) centrée sur l'entrée de gaz (4) et une deuxième surface (6) faisant face à l'entrée de gaz (4), la première surface (5) et la deuxième surface (6) formant chacune une portion d'ellipsoïde de révolution concave ayant un axe de révolution (X3, X4) confondu avec l'axe de révolution (X2) de la forme de la cavité intérieure (3). 2. Cathode selon la revendication 2, dans laquelle une hauteur (h2) de la deuxième surface (6) est supérieure à une hauteur (hl) de la première surface (5). 3. Cathode selon la revendication 1, la cathode présentant une forme générale extérieure cylindrique ayant pour axe de révolution (X1) l'axe de révolution (X2) de la forme de la cavité intérieure (3). 4. Dispositif de laser à gaz comportant un bloc optique (7) et une cathode (1) selon l'une des revendications précédentes, le bloc optique comprenant un circuit optique renfermant un milieu amplificateur (9) et un orifice de sortie de gaz (12) présentant une première extrémité débouchant dans le circuit optique, la cathode étant positionnée sur une surface externe (11) du bloc optique de sorte qu'une deuxième extrémité de l'orifice de sortie de gaz débouche dans la cavité intérieure (3) de la cathode via l'entrée de gaz (4). 5. Dispositif selon la revendication 4, dans 3045966 8 lequel l'orifice de sortie de gaz comporte une première portion cylindrique (13) débouchant dans le circuit optique et une deuxième portion cylindrique (14) de diamètre supérieure à la première portion cylindrique et 5 débouchant dans la cavité intérieure de la cathode via l'entrée de gaz. 6. Gyrolaser comportant un dispositif de laser à gaz selon l'une des revendications 4 ou 5. 10