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"Oscillateur de laser à gaz" Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte à un oscillateur de laser à gaz dont l'axe optique est adapté avec la direction axiale de tube du tube de décharge, et plus particulièrement à un oscillateur de laser à gaz capable d'obtenir un faisceau laser de haute qualité.
La figure 1 est un schéma synoptique simplifié d'un oscillateur de laser à gaz classique. Sur la figure 1, la référence numérique 1 représente un tube de décharge constitué de verre ou autre matériau diélectrique, et l'intérieur du tube de décharge 1 est rempli d'un gaz de laser, ou bien le gaz du laser est mis en circulation par un dispositif de mise en circulation de gaz non représenté sur le dessin. Les références numériques 2 et 3 sont des électrodes disposées aux deux extrémités du tube de décharge 1, 4 représente une source d'alimentation de tension reliée à l'électrode 2 et à l'électrode 3, et 5 représente un espace de décharge à l'intérieur du tube de décharge 1 situé entre l'électrode 2 et l'électrode 3.
La référence numérique 6 est un miroir totalement réfléchissant disposé en direction d'une ouverture de l'espace de décharge 5, et 7 représente un miroir partiellement réfléchissant disposé en direction de l'autre ouverture de l'espace de décharge 5, et le miroir totalement réfléchissant 6 ainsi que le miroir partiellement réfléchissant 7 forment un résonateur optique. La référence numérique 8 est un faisceau laser émis depuis le miroir partiellement réfléchissant 7.
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Dans l'oscillateur de laser à gaz classique ainsi constitué, le fonctionnement est tel que décrit ci-dessous. La décharge se produit dans l'espace de décharge 5 entre l'électrode 2 et l'électrode 3 reliées à la source d'alimentation en haute tension 4. Grâce à cette décharge, le gaz du laser dans l'espace de décharge 5 est excité par l'énergie de décharge. Le gaz du laser excité est établi dans un état de résonance par le résonateur optique formé du miroir totalement réfléchissant 6 et du miroir partiellement réfléchissant 7, et est amplifié optiquement grâce à cette résonance, le faisceau laser 8 est émis à partir du miroir partiellement réfléchissant 7. Ce faisceau laser 8 est utilisé dans diverses applications de traitement au laser.
La figure 2 (a) et la figure 2 (b) sont des schémas destinés à expliquer le fonctionnement du résonateur optique dans l'oscillateur de laser à gaz, représentant plus particulièrement la structure de l'oscillateur de laser à gaz. Sur la figure 1, un seul tube de décharge est représenté, mais en général, comme indiqué sur la figure 2 (a) et la figure 2 (b), plusieurs tubes de décharge 1 sont disposés en série le long de l'axe optique.
Bien que de simples formes cylindriques soient représentées sur la figure 2 (a) et la figure 2 (b), comme pour le tube de décharge 1 de la figure 1, une électrode 2 et une électrode 3 sont disposées aux deux extrémités de chaque tube de décharge 1 et une source d'alimentation de haute tension 4 est reliée entre chaque paire d'électrodes, c'est-à-dire l'électrode 2 et l'électrode 3, et un espace de décharge est formé à l'intérieur de chaque tube de décharge 1.
Dans l'oscillateur de laser à gaz ainsi constitué, comme représenté sur la figure 2 (a) et la figure 2 (b), lorsqu'une décharge se produit dans l'espace de décharge 5 entre l'électrode 2 et l'électrode 3 reliées à la source d'alimentation à haute tension 4, une onde stationnaire 10 se forme en raison de la résonance optique dans l'espace de résonance 9 entre un miroir totalement réfléchissant 6 et un
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miroir partiellement réfléchissant 7. La propriété de cette onde stationnaire 10 est définie par la taille de l'espace de résonance 9 et la courbure du miroir totalement réfléchissant 6 et du miroir partiellement réfléchissant 7. Cette propriété d'onde stationnaire est connue sous le nom d'ordre de mode TEM (électromagnétique transversal).
En général, plus l'ordre du mode électromagnétique transversal est bas, meilleure est la convergence du laser, et il est connu que des performances de traitement supérieures sont obtenues. Par exemple, plus le diamètre intérieur du tube de décharge 1 est petit, plus l'espace de résonance est étroit, et de ce fait l'oscillation du mode électromagnétique transversal d'ordre élevée est supprimée, l'ordre du mode électromagnétique transversal diminue et la convergence de la lumière est renforcée, de sorte que l'on obtient un faisceau laser à performances de traitement élevées.
Par contre, dans l'oscillateur de laser à gaz présentant une conception ainsi expliquée, parmi l'énergie électrique fournie depuis la source d'alimentation à haute tension 4, toute l'énergie à l'exclusion de la partie convertie dans le faisceau laser 8 devient de la chaleur. De ce fait, pour conserver le parallélisme entre le miroir totalement réfléchissant 6 et le miroir partiellement réfléchissant 7 en empêchant une déformation due à cette chaleur générée, il est nécessaire de refroidir le miroir totalement réfléchissant 6 et le miroir partiellement réfléchissant 7 ainsi que les pièces périphériques qui les supportent.
En ce qui concerne le refroidissement du miroir totalement réfléchissant 6 et du miroir partiellement réfléchissant 7 et leurs pièces périphériques dans l'oscillateur de laser à gaz classique, tel que décrit dans le brevet japonais mis à la disposition du public n 56-90588, la conception est telle que représentée sur la figure 4. Comme indiqué sur la figure 4, le miroir totalement réfléchissant 6 et le miroir partiellement réfléchissant 7 destinés à la résonance sont respectivement maintenus
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par une bride 31 et une bride 32. En reliant ces brides 31 et 32 par l'intermédiaire d'un élément de support 33, le parallélisme du miroir totalement réfléchissant 6 et du miroir partiellement réfléchissant 7, nécessaires à l'oscillateur de laser, est conservé.
Un passage 35 est ménagé à l'intérieur de l'élément de support 33 et est destiné au refroidissement en faisant passer de l'huile ou autre agent de refroidissement dans ce passage 35. Dans l'oscillateur de laser à gaz classique, le passage 35 de l'agent de refroidissement à l'intérieur de l'élément de support 33 va directement de l'orifice d'entrée jusqu'à l'orifice de sortie de l'agent de refroidissement.
La source d'alimentation à haute tension 4 est, comme indiqué sur la figure 6, composée d'une source d'alimentation à découpage 44, d'un transformateur élévateur 45, et d'un circuit de redressement et de lissage 46. En général, l'oscillateur de laser à gaz est composé de plusieurs tubes de décharge, et chaque tube de décharge nécessite un transformateur élévateur 45 et un circuit de redressement et de lissage 46. Dans une source d'alimentation à découpage 44, le côté primaire des plusieurs transformateurs élévateurs 45 peut être relié, et de ce fait une seule source d'alimentation à découpage 44 suffit pour plusieurs tubes de décharge.
Le transformateur élévateur 45 est composé d'un corps principal de transformateur élévateur 49 et d'un boîtier de transformateur 47 comme indiqué sur la figure 7 et le boîtier de transformateur 47 est rempli d'huile isolante 48, et le corps principal du transformateur élévateur 49 composé d'un bobinage et d'un noyau est immergé dans l'huile isolante 48. Une plaque supérieure 50 est disposée dans la partie supérieure du boîtier de transformateur 47, et un orifice d'alimentation en huile 51 disposé dans la plaque supérieure 50 est scellé avec un bouchon d'huile 52 sauf lorsque l'huile est alimentée, de sorte que le transformateur élévateur entier 44 est dans une structure étanche.
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L'oscillateur de laser à gaz classique ainsi constitué pose le problème suivant :
Comme on l'a mentionné ici, dans l'oscillateur de laser à gaz, parmi l'énergie électrique fournie depuis la source d'alimentation à haute tension 4, toute énergie sauf pour la partie convertie dans le faisceau du laser, devient de la chaleur 36. Une telle chaleur 36 est dissipée, par conduction vers les pièces composant l'oscillateur de laser à gaz, telles que les brides 31 et 32 existant autour de l'espace de résonance 9 ou l'élément de support 33 destiné à les relier, par l'intermédiaire du gaz du laser remplissant l'espace de résonance 9 comme indiqué sur la figure 5.
L'élément de support 33 est un élément destiné à conserver le parallélisme entre le miroir totalement réfléchissant 6 et un miroir partiellement réfléchissant 7, et lorsque l'uniformité de la distribution en température dans l'élément de support 33 est perdue pour raison de la conduction de chaleur 36, l'élément de support 33 est déformé thermiquement, et l'on ne peut conserver le parallélisme précis entre le miroir totalement réfléchissant 6 et le miroir partiellement réfléchissant 7. Pour éviter cet inconvénient, il est conçu pour être refroidi en faisant passer un agent de refroidissement dans l'élément de support 33.
Cependant, dans l'oscillateur de laser à gaz classique, le passage 35 de l'agent de refroidissement va directement de l'orifice d'entrée jusqu'à l'orifice de sortie de l'agent de refroidissement à l'intérieur de l'élément de support 33. En conséquence, une convection calorifique se produit dans l'agent de refroidissement à l'intérieur du passage 35, et la distribution en température de l'agent de refroidissement lui-même n'est pas uniforme. A cause de la convection calorifique de l'agent de refroidissement lui-même, la température est plus élevée dans la partie supérieure et la température est inférieure dans la partie inférieure de l'élément de support 33, et la distribution en température est inégale, et
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une déformation thermique se produit.
Cette déformation thermique conduit à un problème faisant qu'il est difficile de conserver le parallélisme précis entre le miroir totalement réfléchissant 6 et un miroir partiellement réfléchissant 7.
C'est le but de l'invention d'offrir un oscillateur de laser à gaz capable de conserver le parallélisme du miroir totalement réfléchissant et du miroir partiellement réfléchissant afin de composer un résonateur optique, et d'obtenir un faisceau laser stable, en empêchant la déformation thermique de l'élément de support et d'autres éléments, due à la chaleur générée par l'oscillation de laser.
L'oscillateur de laser à gaz selon la revendication 1 de l'invention comprend : des tubes de décharge disposés le long de l'axe optique du faisceau du laser en vue de former à l'intérieur un espace de décharge, un miroir totalement réfléchissant disposé en direction d'une ouverture de l'espace de décharge afin de composer un miroir terminal, un miroir partiellement réfléchissant disposé en direction de l'autre ouverture de l'espace de décharge afin de composer un miroir de sortie, une première bride destinée à maintenir le miroir totalement réfléchissant, une seconde bride destinée à maintenir le miroir partiellement réfléchissant, et un élément de support qui constitue un élément de maintien du parallélisme entre le miroir totalement réfléchissant et le miroir partiellement réfléchissant en reliant la première bride et la seconde bride,
et présentant un passage d'agent en spirale destiné à laisser passer l'agent de refroidissement disposé à l'intérieur de celui-ci.
Dans l'élément de support de l'oscillateur de laser à gaz selon la revendication 1, plusieurs passages d'agents de refroidissement en spirale sont disposés afin de laisser passer l'agent de refroidissement.
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L'oscillateur de laser à gaz selon la revendication 2 comprend : des tubes de décharge disposés le long de l'axe optique du faisceau du laser afin de former à l'intérieur un espace de décharge, un miroir totalement réfléchissant disposé en direction d'une première ouverture de l'espace de décharge afin de composer un miroir terminal, un miroir partiellement réfléchissant disposé en direction de l'autre ouverture de l'espace de décharge afin de composer un miroir de sortie, et une source d'alimentation à haute tension comprenant une source d'alimentation à découpage destinée à générer une décharge à l'intérieur des tubes à décharge, un transformateur élévateur, et un circuit de redressement et de lissage, dans lequel le transformateur élévateur comprend :
un corps principal de transformateur destiné à stocker à l'intérieur l'huile isolante en vue d'immerger le corps principal du transformateur élévateur à l'intérieur de l'huile isolante, et un bouchon d'huile comportant un trou de pénétration et comprenant également un filtre présentant une résistance au passage d'une huile isolante dans le trou de pénétration, qui est ajusté sur le boîtier du transformateur.
Dans l'oscillateur de laser à gaz selon la revendication 2 de l'invention, le trou de pénétration disposé dans le bouchon d'huile du boîtier du transformateur fait pénétrer le bouchon d'huile dans la direction verticale, et est disposé avec un filtre présentant une résistance au passage de l'huile isolante au niveau d'une partie inférieure du trou de pénétration.
Dans l'oscillateur de laser à gaz selon la revendication 2 de l'invention, le trou de pénétration disposé dans le bouchon d'huile du
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boîtier du transformateur comporte une première extrémité ouverte vers l'extrémité inférieure du bouchon d'huile, et une autre extrémité ouverte à la circonférence extérieure de la partie supérieure du bouchon d'huile, et est muni d'un filtre présentant une résistance au passage de l'huile isolante au niveau d'une partie inférieure du trou de pénétration.
Dans l'oscillateur de laser à gaz selon la revendication 2 de l'invention, le trou de pénétration disposé dans le bouchon d'huile du boîtier du transformateur comporte une première extrémité ouverte vers l'extrémité supérieure du bouchon d'huile, et une autre extrémité ouverte à la circonférence extérieure de la partie inférieure du bouchon d'huile, et est muni d'un filtre présentant une résistance au passage d'une huile isolante au niveau d'une partie inférieure du trou de pénétration.
Dans l'oscillateur de laser à gaz selon la revendication 2 de l'invention, la taille des pores du filtre du bouchon d'huile disposé dans le boîtier du transformateur est de 0,55 mm au moins.
Conformément à l'oscillateur de laser à gaz selon la revendication 1, en formant en spirale le passage destiné à l'agent de refroidissement à l'intérieur de l'élément de support, la distribution en température de l'élément de support est uniforme, et la déformation thermique de l'élément de support peut être éliminée. Du fait que l'élément de support est formé en reliant la bride destinée à maintenir le miroir totalement réfléchissant et la bride destinée à maintenir le miroir partiellement réfléchissant, dans la mesure où la déformation thermique de l'élément de support est éliminée, il est plus facile de maintenir le parallélisme entre le miroir totalement réfléchissant et le miroir partiellement réfléchissant, de sorte que l'on peut obtenir un faisceau de laser stable.
Conformément à l'oscillateur de laser à gaz selon la revendication 2, en formant le trou de pénétration dans le bouchon d'huile du boîtier du transformateur et en disposant un filtre destiné à
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s'opposer au passage de l'huile isolante dans ce trou de pénétration, si l'huile isolante éclabousse en raison des vibrations pendant le transport, l'huile isolante ne fuira jamais hors du boîtier du transformateur.
A côté de cela, du fait que le film d'huile formé dans le filtre disposé dans le trou de pénétration est facilement rompu par la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier du transformateur, la pression interne du boîtier du transformateur est maintenue pratiquement constante, et l'huile isolante ne fuira pas en raison de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur.
Brève description des dessins
La figure 1 est une vue en coupe représentant la conception simplifiée d'un oscillateur de laser à gaz classique.
La figure 2 est un schéma structurel expliquant le fonctionnement d'un résonateur optique dans l'oscillateur de laser à gaz classique.
La figure 3 est une vue en coupe montrant la conception d'un oscillateur de laser à gaz dans le mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 est un schéma structurel expliquant le passage de l'agent de refroidissement de l'élément de support dans l'oscillateur de laser à gaz classique.
La figure 5 est un schéma partiel représentant la conduction et le rayonnement de la chaleur dans un oscillateur de laser à gaz.
La figure 6 est un schéma synoptique représentant la conception d'une source d'alimentation à haute tension utilisée dans un oscillateur de laser à gaz.
La figure 7 est une vue en coupe représentant une structure de transformateur élévateur d'un oscillateur de laser à gaz classique.
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Description d'un mode de réalisation préféré
La figure 3 (a) représente un exemple structurel d'un oscillateur de laser à gaz d'un mode de réalisation de l'invention. Les composants de base sont les mêmes que dans l'oscillateur de laser à gaz classique expliqué sur la figure 1, mais la conception est nouvellement décrite ci-dessous en comprenant les composants fondamentaux.
Sur la figure 3 (a), la référence numérique 1 est un tube de décharge, les références 2 et 3 représentent des électrodes, la référence 4 est une source d'alimentation à haute tension destinée à appliquer une alimentation électrique destinée à la décharge entre les électrodes 2 et 3, la référence 6 est un miroir totalement réfléchissant, et la référence 7 est un miroir partiellement réfléchissant, et le miroir totalement réfléchissant 6 ainsi que le miroir partiellement réfléchissant 7 sont combinés pour former un résonateur optique.
La référence numérique 8 est un faisceau laser émis au travers du miroir partiellement réfléchissant 7, la référence 9 représente un espace de résonance, la référence 31 est une bride destinée à maintenir le miroir totalement réfléchissant 6, la référence 32 est une bride destinée à maintenir le miroir partiellement réfléchissant 7, la référence 33 est un élément de support reliant la bride 31 et la bride 32, et la référence 34 représente un passage destiné à laisser passer un agent de refroidissement disposé à l'intérieur de l'élément de support 33.
Dans ce mode de réalisation, le passage 34 de l'agent de refroidissement est formé en spirale à l'intérieur de l'élément de support 33. Dans un tel passage 34, l'agent de refroidissement circule en spirale à l'intérieur de l'élément de support 33, l'élément de support 33 est refroidi uniformément sans provoquer de différence de température entre la partie supérieure et la partie inférieure de l'élément de support 33 due à la convection de l'agent de refroidissement. De ce fait, la déformation thermique induite de façon classique par la différence de température
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dans les pièces de l'élément de support 33 n'apparaît pas dans l'invention.
Il en résulte qu'il est facile de conserver le parallélisme entre le miroir totalement réfléchissant 6 et le miroir partiellement réfléchissant 7 maintenus par la bride 32 et la bride 33 reliées par l'élément de support 33.
La figure 3 (b) représente un exemple modifié de conception de l'oscillateur de laser à gaz du mode de réalisation de l'invention. Dans l'exemple structurel représenté sur la figure 3 (a), le passage 34 de l'agent de refroidissement ménagé dans l'élément de support 33 est un premier système de passage en spirale, mais plusieurs systèmes de passage en spirale peuvent être formés comme dans un passage 35 représenté sur la figure 3 (b). Par exemple, un passage 35a est disposé à l'intérieur de l'élément de support 33, un second passage 35b et un troisième passage 35c sont disposés sur les parties proches de la surface de l'élément de support 33. En formant plusieurs systèmes de passage 35 de l'agent de refroidissement, l'effet de refroidissement est renforcé et un refroidissement plus uniforme est obtenu.
Sur la figure 3 (b), les orifices d'entrée et les orifices de sortie de plusieurs systèmes de passage 35a, 35b, 35c sont regroupés à une position chacun, mais les orifices d'entrée et les orifices de sortie de plusieurs systèmes des passages destinés à l'agent de refroidissement peuvent également être placés indépendamment dans chaque passage. De ce fait, les orifices d'entrée et les orifices de sortie de plusieurs systèmes de passage destinés à l'agent de refroidissement sont également placés indépendamment dans chaque passage, et le sens de circulation de l'agent de refroidissement peut être inversé dans chaque passage, et la distribution en température de l'élément de support 33 peut être plus uniforme.
En variante, l'élément de support 33 peut être divisé en une pluralité, et au moins un système de passage formé en spirale destiné à
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l'agent de refroidissement peut être disposé pour chaque section divisée de l'élément de support.
Comme expliqué ici, conformément à l'oscillateur de laser à gaz du mode de réalisation de l'invention, comme l'élément de support peut être refroidi uniformément, la distribution en température est uniforme, l'élément de support est dépourvu de déformation thermique, et il est facile de conserver le parallélisme entre le miroir totalement réfléchissant et le miroir partiellement réfléchissant pour composer le résonateur optique, de sorte qu'un faisceau laser stable peut être obtenu.