CA1036700A - Laser a decharge breve entre deux electrodes allongees_ - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un laser à onde progressive. Les électrodes entre lesquelles a lieu la décharge électrique progressive d'excitation du gaz amplificateur présentent, en section, la forme de deux pointes arrondies polies en regard, de manière à éviter des réflexions parasites de lumière vers la zone de décharge et à diminuer la divergence du faisceau de sortie à l'aide d'un simple système optique convergent. Application à la réduction de la divergence des faisceaux laser.

Description

1~)3~00 La présente invention con~erne un laser a décharge breve entre deux blectrodes allong~es.
uans un tsl laser la dirsction ae l'émission de lumiPre est g~neralement a~finie principalement non pas par une cavite opt~que rbsonnante, mais par la forme de l'espace dans lequel l'amplification ae lumiere peut avoir lieu. La dlrection principale d'~mission est alors celle selon laquelle la lumlère peut etre ampllfl~e le plus longtemps c'est-à-dlre celle du canal situé entre les deux électrodes.
C'est en effet dans ce cenal, contenant un gaz convenabls, qu'a lleu la dficharge ~lectrique qul crée le mllleu ampllficateur en excltant ce gaz. Le problème Be pose alors d'obtenlr une émission de lumlère à
dlvergence aussi falbls que posslble.
Ce problème se pose notamment dans le cas d'un laser 3 d6charge brève du typs à onds progressive. Un tel laser comporte cla~iquement une ligne électrique plate dont le~ surfaces conductrlces ont une forme parebollque J au foyer de la parabole, on place un écloteur qul, aprbs une oharge de la llgne, court-clrculte les deux wr~acss conductrice~ et engendre ainsi une onde électrlque progresslve dan~ la ligne I un canol laser est réalisé en lnterrompant l'uns des ourfaces ¢onduoxrlces por une fente rectlllgne dont les bords constltuent deux électrodes et en melntenant un gaz, tel que l'azote, dans cette fente. Ce canal f it un ongle convenoble avec l'axe de lo parabole, 1BS
dsux électrodss ~ont rellée~ électriquement par une sel~ pour la chorge de 1~ ligne plate. On obtient ainsi entre les électrode~ une déchorge électrique locQllsée qui se déplace dans le canal 3 une vlte~se égole à
celle de lo lumière et qui réalise une excitatlon tr~s ropide ds l'azote.
Cette excltation permet l'ampllfication sélectlve d'une onde lumineuse progrssslve y accompagnant la zone de décharge. Un tel laser e~t décrit dans l'artlcle de M. ~. GODARD - A simple hlgh-power large ~ , '.
:: ~ '': ' ' ,~ ' ~Q3~
efficienry N2 ultraviolet laser" I.E.E~E. Journal ~f 4uantum Elsctronics, vol. ~E-10 n 2. February 1974. pp. 147 à 153.
Les ~lectrodes entre lesquelles appara~t la décharge électrique progressive sont polies et ont la forme ds surfaces planes parallèles avsc des bords arrondis. Uns telle forme est eri effPt simple et classique pour l'~tablissement d'une déchargs ~lectrique entrs deux électrodes lorsqu'on veut qus la tension d'amorçage soit bien déterminée et que les électrodes ne solent pas détériorées.
Le faisceau la~er lmpulsionnel ainsi obtenu n'est pas parall~le et présente une dlvsrgence, qul psut etre partlellement supprimée en ploçant sur le traJet du falsceau une lentille dont le foyer co~ncide avec una premlère extr~mité du canal laser, c'est-à-dire avec la zone où commence la décharge électrique et où apparait l'onde lumineuse qui ~ero en~ulte ampllfiée tout le long du canal. La dlvergence qui subslste sst cependont sncore genante et ne peut pas etre sufflsamment corrlgée par de~ moyens optlqueo aglssant sur le falsceau.
On conna~t por allleurs, par la revue GB Opto Electrcnlcs vol. 4 n 1 Févrler 1972, page~ 43-49, article de D. Bastlng et al ~A

~imple hlgh power nltrogen laser~, un laser à décharge brbve et à onde progresslve dont les électrode~ présentent lorsqu'elles ~ont vues en coupe par un plan perpendlculalre au canal contsnant le gaz actlf, une forme en polnte errondle. Ce laser fournlt un ~alsceau à forte divergence d- 66 mlllirodians dans un ssn5 et de 26 dans l'outre. Son enseignement n'~ donc ~amols été pri~ en consldératlon lorsqu'on a recherch~ à
dlmlnuer lo dlvergence du falsceau de sortie d'un laser.
Lo pr~sente lnventlon a pour but la réalisatlon d'un laser à
déchorge brève entre deux électrodes allongfies permettant d'obtenlr un fal~ceau dont la dlvergsnce peut etre rendue très falble.
E11B a pour ob~et un laser à déchargs brave entre deux électrodes allongées comportant :

2 -~36~(~0 - une encsinte ayant au molns une paroi transparente st contenant un gaz susceptible de devenir amplificateur de lumi~re lorsqu'il est excit~ par une décharge ~lectrique, - dans cette enceinte deux électrodes m~talliques allongées et parallèles dont les face~ en rsgard ~ont polies et délimitent entre ellss un canal laser allongé ayant une première et uns deuxième extrémité, - de~ moyens électrlques pour provoquer une décharge brève entre les face~ en regard deadltes électrodes de manlère à ce qu'une onde lumlneuse app~r~ls-Ant à la premlère extrémlté du cansl et se propsgeant vers la deuxieme extrémlté aolt amplifiée le long de ce canal Jusqu'à cette d-uxlème extrémlté puls sorte de l'encelnte par ladlte paroi transparente, c~r~ctérl-é par le f~lt qu'un système optlque convergent est placé sur le tr~Jet de l~dlte onds lumlneuse w rtant de l~dlte deuxlème eXtrémit6 du con-l, le ~oyer de ce sy-tème optlque colncldant seni~lblement ~vec ladite premlère extr~mité du canal, ch~cune desdltea facea en reg~rd deo 61-ctrodec pré-entant lorsqu'elle ei3t vue en coupe por un plan perpendioulaire au canal, une forme en polnte ~rrondle dlrlgée vera l~autre 61ectrode, grace ~ quol lo lumlère qui se propage obllquement dane le canal -t qul ~rrlve ur l'une de ces f~ces est réfl~chle en dohor4 du oan~l et~n'-st donc plu- smpliflée.
L'ettic~cité de la pré~ente lnventlon tlent au f~it que la partl- lrr6ductlble de 1~ div-rg-nc- de- l~aer- ~ d6ch~rge brève connua ; t-it eoaentlell _ nt du- ~u ~ d t qu'une p~rtle de-1'6nergl- d'excltstlon dU g~z et-lt utlll~ee pour amplifler de- onde- Iumlneuaea se propage~nt . ~ ~ , .:
obllquement dans le c~n~ -er p~r réflexlons succesalves sur leis p~rtl-o plane~ dec ~oes en regard de~ électrodes.
A l!~ld- de~ flgurea 1 ~ 3 cl-~ointes on v~-décrire ei-après ùn _ de~de reall~-tion de l'lnv-ntion, les elëments se correspondant ~ ur~dlverses figurea y;portant les~m~mes~ nùméros de refsrence.
;~ 30~ L8 flg~ure 1 r-prés-nt- une vue chématiqus de dsssins en ~ - 3 -lQ367~i0 ~
coupe partiell~ d'un laser à onde progressive selon l'invsntion.

La figure 2 représente une vue schématique en coupe du laser de la figure 1~ -La figure 3 représente une vue en coupe par un plan perpendiculaire au canal laser montrant a plus grande échelle les électrodes entre ;~
. .
lesquslles ~e prodult la décharge électrique progresslve.
Sslon les flgures 1 st 2 1B laser selon l'inventlon comporte une encelnte allongée 2, en polyméthacrylats ds msthyls contsnant de l'azots sous uns prsssion compris0 entrs 30 st 60 milllbars. 50 milllbars par exsmple. Deux électrodes allongées d'acier lnoxydable 4 st 6 sont disposées parall~lement dans cetts enceinte et forment les bords d'un canal luser 8 de 90 cm de long.
Une ligne électrlque plate est formée par deux feullles mlncsD de culvre 10 et 12 dont un bord forme une parabole 14, séparées par une ~eullle i~olante 16 formée de polyester ou polylmlde avec une ~pais~eur de 75 mlcrons. Un autre bord de la feullle 10 est en contact avec l'électrode 4. Une autre feullle de culvre 18 est placée dans le prolongement de la feuille 10 st a un bord en contact avec l'~lectrode ~. Ells est connectée à la feullle 10 par une lnductance 20.
Un générateur ~lectrlque 22 charge la llgne plate alnsi formée 30U8 une tension de 1 à 10 kV, par exemple 5 kV.
Un éclateur Z4, placé au foyer de la parabole 14, provoque en~uite la déchargq de cette llgne plate en connectant brusquement la ~euille 10 ~ la feuille 12. Il en résulte 1'4parltion d'une onde électrique dans la llgne. Cette onde est d'abord circulalre, puls, par r~lexion ~ur 1~ parabole 14, devlent une onde rectlllgne qul s3t perpendlculalrs ~ l'axe de cette parabole et qul se propags ver~ le canal 6 parallèlement ~ l'axe ds cette parabole. Lorsqu'elle attelnt ca cand 8 p~rall~lement à l'axe de cette parabole. Lorsqu'alle attelnt ce 4 et 6.

,, , _ 4 _ ~

~33~7~0 En raison de l'inclinalson de c~ canal par rapport à l'onde électrique, cstte d~charge se propage d'une première extrémité 26 de ce canal Jusqu'à sa deuxième extrkmité 28 à la vitesse de la lumière. Une onde lumineuse apparaissant à l'extrémité 26 et se dirigeant vers l'extr~mité 2~ accompagne donc la déchargs électrique. Si cette onde lumineu~e a une longeur d'onde convenable, de 3371 angstroems, elle est ;
ampllflée tout le long du canal 8 par l'azote qui est exclté par la décharge électrique, alors qu'une onde lumineuse de meme longueur d'onde mala avec une dlrectlon de propagation très différente ne nera amplifiée que aur un traJet trèa court.
Compte tenu du falt que l'onde ampllflée prend naissance à
l'extr~mlts 26, 11 feut pour obtenlr un faisceau de aortls parallèle, utill~er une lentllle convergente 30, dont le foyer co~nclde avec l'extrémlté 26. Une divergsnce du foiacsau aubslste cspsndant car oertoln~ ondes ~ont ré~léchiea par les électrodss 4 et 6 en formant un angle ~alble aveo l'oxe du canal 8, ce qui leur donne un~ viteaae de prop~gatlon dans la dlrectlon du canal très volslne de celle ds la d6chorge ~l~otrlque. Css ondes, flyant la longueur d'onds convenable de 3371 Qngstroems ~ont donc ampllflée3 elles auasi tout le long du canal.
La forme dea électrodea 4 et 6 repreaentéB sur 18 flgure 3 permet d'eviter ces réflexlons et cette ampll~icatlon para3ite. Chacune d~ ce~ élw trode- est polle et pr6aente, en coupe, une forme en polnte arrondle dlrigée vers l'autre électrode.
Le r yon de courbure de la polnte arrondle, 1 mm par exemple eat de pr6~érsnce in~érleur au quart ds la largeur du canal 8 sltué entrs cea polntes 6 ou 7 mm par exemple. Cs rayon rsste cependant de preférence ;, . . .
aupérieur ~ 2 % de cette largeur. Chaque pointe forme un arc de csrcle ; ~ -comprls de preférence sntre 120 et 170 de mani~rs que l'epais~eur des ; ;~

~électrodes devlenne plu~ grande quand on 3'sl0igne du canal 5. En dehorfi de cea polntea, ces slsctrodes ont la forme g~nerale de lames _ 5 _ ~,; , . . .' :
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~ ~367UO

épaisses de 5 mm et présentent deux faces parallèles à la dire~tion générale des feullles 10, 12 et 18. La face la plus éloignée tslle que 40, rsste parallèle à cette direotion générale jusqu'à la pointe arrondie. L'autre face, telle que 42, est en contact avec la feullle 10 ou la feuille 1~, ~usqu'au bord de cette feuille qui constitue en m~me temps une lign~ d'arete tells que 44. Puis cette face s'éloigne du prolongement ds cette feuille Jusqu'à la pointe arrondle.
Cecl permet d'élolgner la zone de décharge, de la feuille lsolante 16. Cette zone est représsntée par un trait tiré et situé
entre les pointes arrondle~.
LB8 feuilles 10, 12, 16 et 18 qui sont souples sont fixées sur un support 46 qul essure la rigldité mécanlque de l'ensemble.
Ce support est creusé ds deux ralnures sous les parties des 6lectrodes 4 0t 6 en contact avec le~ feulllss 10 et 18, au volslnage do~ lignec d'-rOte telles qus 44.
Oan~ ces relnure~ sont dlsposé~ des moyens pour presser él~tiquement l'en~emble des feullles 10, 12, 16 et 18 contre les 6lectrode~ 4 et 6 et assurer un bon contact entre ces électrodes et les fwlllos 10 et 18- Ce8 moyen~ sont constltués par des tuyaux souples 4B
et 50.
Le ~ocle 46 forme d'autre part un creux 5Z en regard ds i'espacs lntfirleur ~ l'encelnte 2, de manlbre à permsttre d'élolgnsr enoore les feullle~ 16 et 12 du canal B~ Cet élolgnement est as~uré en f~ nt communiquer le fond de ce creux 52 avec une pompe a vlde non représentée~
Le laser qul vlent d'êtrs décrlt permet d'obtenlr, à l'aide de l~ lentllls 30, un f~isCeau ayant uns dlvsrgsnce de 0,3 milliradians, alors que si l'on avalt utili~é la forme habituelle des électrodes la i divsrgence aurait fité de 10 mllliradians snviron en utlllsant une ,................................................................................. ............. :
lsntllle analogus. La durés ds l'lmpulsion lumineuse est généralement ~ - ~

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1~3ti7QO
comprlse entre 2 et 1Z ns.
Il peut être parfois utile de disposer au voisinage de l'éclateur 24 un réflecteur pour empêcher l'onde circulaire prenant nalsaance sur cet éclateur d'atteindre directement le canal laser 8.
Cependant cette précaution n'est paa indispensable car cette onde directe parvient au canal laser pre~qu'en meme temps que l'onde réfl~chie par la parabole constituant le bord de la llgne plate.
En ce qui concerne le cholx des tensiona ~ appllquer entre lee feuilles métollique~ 10 et 12, 11 convlent de remarquer que plus ces tenslons ~ont falbles, plus, ~ pre~slon constante dsns l'encelnte 2, la distance entre les électrodea 4 et 6 peut etre dlmlnuée. Il est souhaltable de l'amener au-des~oua de 9 mm ce qul permet de dlmlnuer encore lo dlvergence ré~lduelle du fd sceau. Ls preaslon s~t avant~geusement comprl~e entre 30 et 60 mllllbars. Compte tenu du falt que l'énergle de la déch~rge électrlque ne peut p~s etre trop dlmlnuée, 11 en ré~ulte qu'll y ~ int~ret ~ oholslr une ~albls dlst~nce entre le8 ~eullles 10 et 12, c'o~ P ~dlre une ~dble épals~eur de lo ~eullle dléleotrlque 16, au-du~ou~ de 130 mlcrons. En pratlque pour une épalsseur de 75 mlcrona une ten-lon d- S kV convlent svec une dlstancs entre électrc1des de 6,7 mm. On peut cepend~nt pratlquement de~cendre ~ une tenslon de 1 kV avec une dl~tance entre électrodes de 2 mm et une ép~lsseur de lfl feullle 16 de 25 mloron~. ;
~ uolque l'lnventlon olt été déorlte d~ns un mode de r~alisatlon qul a paru avantagsux, et qul utlllse, pour créer la décharge électrique dan~ le oanal l~ser, une llgne ~lectrlque pl~te 3 bord parabollque, 11 dolt ~tre comprl~ que d'autres formes de lignes électrlquea psuvent egalem~nt etre utili~éea. On peut notemment atocker l'énergle éIectrlque dans un ensemble de condenaateurs discrets. ~-', . ' ' "~, " .
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Claims

Les formes de réalisation de l'invention pour laquelle une propriété ou un privilège exclusif est revendiqué sont définies comme suit :

1/ Laser à décharge brève entre deux électrodes allongées comportant :
- une enceinte (2) ayant au moins une paroi transparente et contenant un gaz susceptible de devenir amplificeteur de lumière lorsqu'il est excité par une décharge électrique, - dans cette enceinte deux électrodes métalliques allongées et parallèles (4, 6) dont les faces en regard sont polies et délimitent entre elles un canal laser allongé (8) ayant une première (26) et une deuxième extrémité (28), - des moyens électriques (10, 12, 16, 18, 20, 22, 24) pour provoquer une décharge brève entre les faces en regard desdites électrodes de manière à ce qu'une onde lumineuse apparaissant à la première extrémité
du canal et se propageant vers la deuxième extrémité soit amplifiée le long de ce canal juaqu'à cette deuxième extrémité puis sorte de l'enceinte par ladite paroi transparente, caractérisé par le fait qu'un système optique convergent (30) est placé
sur le trajet de ladite onde lumineuse sortant de ladite deuxième extrémité du canal, le foyer de ce système optique coïncidant sensiblement avec ladite première extrémité du canal, chacune desdites faces en regard des électrodes [4, 6] présentant lorsqu'elle est vue en coupe par un plan perpendiculaire au canal, une forme en pointe arrondie dirigés vers l'autre électrode, grâce à quoi la lumière qui se propage obliquement dans le canal et qui arrive sur l'uns de ces faces est réfléchie en dehors du canal et n'est donc plus amplifiée.

2/ Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon de courbure de ladite pointe arrondie est compris entre 2% et 25% de la largeur dudit canal laser.

3/ Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les côtés de ladite pointe arrondie sont sensiblement plans, l'arc formant l'extrémité
de cette pointe formant un angle compris entre 120° et 170°.

4/ Laser selon revendication 1 comportant :
- une enceinte (2) ayant au moins une paroi transparente et contenant un gaz susceptible de devenir amplificateur de lumière lorsqu'il est excité par une décharge électrique, - dans cette enceinte deux électrodes métalliques allongées et parallèles (4, 6) dont les faces en regard délimitent entre elles un canal laser allongé (8) ayant une première (26) et une deuxième extrémité (28), - des moyens électriques (10, 12, 16, 18, 20, 22, 24) pour provoquer entre les faces en regard desdites électrodes une décharge localisée se déplaçant de la première à la deuxième extrémité dudit canal à la vitesse de la lumière de manière à ce qu'une onde lumineuse apparaissant dans la décharge à la première extrémité du canal et se propageant vers la deuxième extrémité soit accompagnée par le décharge le long de ce canal et sélectivement amplifiée jusqu'à cette deuxième extrémité
puis sorte de l'enceinte par ladite paroi transparente, caractérisé
par le fait qu'un système optique convergent (30) est placé sur le trajet de ladite onde lumineuse sortant de ladite deuxième extrémité
du canal, le foyer de ce système optique coïncidant sensiblement avec ladite première extrémité du canal, chacune desdites faces en regard des électrodes (4, 6) présentant lorsqu'elle est vue en coupe par un plan perpendiculaire au canal, une forme en pointe arrondie dirigée vers l'autre électrode, grâce à quoi la lumière qui se propage obliquement dans le canal et qui arrive sur l'une de ces faces est réfléchie en dehors du canal et n'est donc plus amplifiée.

5/ Laser selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens électriques comportant deux feuilles métalliques (10, 12, 18) séparées par une feuille isolante (16), lesdites électrodes (4, 6) étant connectées aux bords des deux parties (10, 18) de l'une de ces feuilles, des moyens étant prévus pour créer une différence de potentiel entre ces feuilles (22) et pour amorcer une onde électrique progressive (24) dans la ligne plate qu'elles forment caractérisé par le fait que l'épaisseur de ladite feuille isolante (16) est inférieure à 130 microns, la distance entre lesdites électrodes (4, 6) étant inférieure à 9 mm, la pression dans ladite enceinte (2) étant comprise entre 30 et 60 millibars.