1~4~4~i8 L'invention concerne la technique des émissions lumineuses de forte puisssance, en particulier celles obtenues au moyen de lasers a anhydride carbonique.
On sait que ces lasers peuvent émettre des faisceaux lumineux ayant une puissance pouvant atteindre quelques kilowatts. La lumière émise a une lon~ueur d'onde ds 10,6 microns.
Il est donc exclu d'utiliser soit pour réaliser ces lasers, soit pour réaliser les equipements optiques accompagnant le laser, des dispositifs optiques en verre, car le verre n'est pas transparent pour la lon~ueur d'onde indlquée ci-dessus.
Le problème SB pose en particulier pour réaliser une fenetre fermant la cavité dans laquelle est place 1P melange gazeux produisant le falsceau laser ~ c'est en effet 3 travers cetts fenêtre, étanche au mélange gazeux, que le faisceau laser est émis en vue de son utilisatior1 ulterieure.
Le probl~me se pose également lorsqu'on veut r~aliqsr une lentille pour focaliser un faiscsau laser de la longueur d'onde indiques ci-dessus.
On a r~alis6 ~u5qu'3 ce ~our des dispo3itifs optlqu~s rJn chlrJrur~ cle Bodium. Ce mat~ri~u, transparent à la longueur d'onde de 10,~ mierons, a l~
dsfeut de retenlr, en surface, la vapeur d'eau contenue dans l'atmospnère.
2U Cette hygroscopie entraine des clivages du matériau au moment du passage des rayons lumlneux, ce qui entraine d'abord des pertes cle qualitk~ optique du dispositif, puis une cassure inévitable.
On sait que d'autres matériaux ne présentent pas le phenomene d'hygro-scopie du chlorure cle sodium et qu'lls ont la transparence souhaitée à la longueur d'onde cholsie, Il s'aglt par exemple du ~errnanium et dr~ cr~rtains composés semi-conducteurs formés de mélanges arsenlc-gallium ou cadmiurn-tsllure ou zinc-sél~nium.
Le germanium est le meilleur marché de ces matériaux. Mais tous ont le défaut de posséder un coefficient d'absorption lumineuse croissant fortement lorsque la température croit. Si donc on les utilise tBlS quels pour réaliser ~4~468 un dispositiF optique destiné à etre traversé par un faisceau lumineux de forte puissance, l'échaufferrent subi par le dispositif aura tendance a augmenter au fur et a mesure du passage du faisceau lumineux. On assiste à un emballement du phénomene et le dispositif optique est rapidement détruit par échauffement.
Un but de l'invention est de réaliser un dispositif optique en germanium ou en matériau semi-conducteur muni de moyens pour éviter l'échauf-fement, de manière à pouvoir être utilisé pour des faisceaux lumineux de forte puissance. Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif qui conserve ses qualités optiques intactes quel que soit le degré d'hygrométrie 10 de l'air ambiant dans lequel il est placé lors de son utilisation.
L'invention a pour ob~et un dispDsitif optique destiné ~ être traversé par un faisceau lumineux ayant une longueur d'onde voisine de 10,6 microns et une puissance d'au moins un kilowatt, comprenant un élément optique po~sédant deux faces dioptriques, en matériau choisi parmi le germanium, un mélange d'arssnic et de gallium, un m~lange de cadmium et de tellure et un m~lange de zinc et cle s~l6nium, caructérisé par le falt qu'une zone annullaire d 1~ p~riph6rie de l'~l~ment optique est en contact avsc un fluicle de refroi-dlsssmsnt, et que de~ Jets de gaz sec sont dlri~s sur au rnoins uns cles Foces ds l'élémsnt optique à l'int~risur de la zons annullalre.
Dans un mode de réalisation de l'invsntion appliqué à une fenêtre optique, l'élément optique a sss faces parallèles et une seuls d'entre elles est soumise à un ~st de gaz sec.
Dans un autre mods de r~alisatlon ds l'invsntion applique ~3 une lsntille, le disque a au moins une de sss faces non plans, et les deux faces de la lsntills sont soumises ~ un jst ds gaz ssc.
Ls Fluids réfrigérant sst préférentiellement de l'anhydride car-boniqus liquéfié. Le eaz sec est préférsntisllemsnt ds l'azote~ en variante, c'est ds l'air.
L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après de 30 deux modes de réalisation de l'invention, sn référance au dsssin ci-annexé, dans lsque .. . . . ............... . . . .
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~L04~468 - la figure 1 est une VU8 en coupe en élévatisn d'uns fen~Lrs optique, réalisée selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe en ~lévation d'une lentille convergente réalisee selon l'invention.
Dans la figure 1, la r~férence 1 désigne une cavité laser remplie d'anhydride carbonique, delimitée par un cylindre 2. Le faisceau laser doit sortir par la fenêtre 3. Cstte fenêtre se présente sous la forme d'un disque de germanium. Pour un diamètre de 60 mm, l'épaisseur du disque est de 5mm. Un joint circulaire 4 assure l'~tanchéité de la cavité laser.
Le refroidissement du disque SB fait par circulation d'un fluide réfrigérant dans un manchon 6, muni d'un conduit 9 d'arrivée du fluide et d'un conduit 10 de sortie du fluide. Le fluids est avantageusement de l'anhy-dride carbonique dont la température est voisine de - 65C. La tranche 11 du dlsque et une partis annulaire 12 de celui-ci ~ont baignées par le courant de fluide r~frig6rant J la chaleur produite au centre du disque par le passage du f~i~ceau laser est donc ~vacuée par le fluide r~frig~rant ~ travers la partie annulnire du disque. La largeur de cette partie annulalre e~t avan-tagsu~ement de l'ordre de 10mm pour l'exemple numérique choisi plus haut.
L'étanch~it~ du manchon 6 est assurée par deux ~oints circulaires 7 ~t 8 ~'appuyant re3pectivement sur le cylindre 2 et sur un manchon 13, dont le role est expliqué maintenant, Comme le disque est porté à basse température, il y a un risque de volr l'humidité de l'air ambiant se déposer sur sa ~e~ce 20 en contact avec l'atmosphère, Pour éviter cela des ~ets de gaz 9BC, tel que de l'azote ou l'alr, sont dlri~9 sur la face 20 1 ils arretent ainsi l'air atmo~phérique dans sa course vers la face 20~
Pour réaliser ces ~ets, on peut utillser un manchon 13 muni d'un Oonduit 15 relié par une vanne 18 à une source de ~az 19 1 le conduit 15 débouche sur une chambre annulaire 16 d'où partent une pluralité de canaux obliques par rapport au plan de la face 20 du disque et convergente vers .
"
104046~3 cette face, tels que le canal réferencé 17 dans la figure.
Dans l'exemple numérique choisi, on peut indiquer que le nombre de canaux est avantageusement de 12 et que le dtbit de gaz sst de 12 litres par minute.
Les faces 20 et 21 du disque 3 sont munies d'un revêtement anti-reFlets, Un disque tel que celui qui vient d'être décrit, réalisé en germa-nium et refroidi ~ 0C sur la périphérie peut laisser passer une puissance lumineuse de 1 kilowatt en perr~nence sans ss casser J il peut supporter.
avsc un fluide de refroidisse~ent ~ -60C, une puissance de 4 kilowatts pendant 7 secondss.
La figurs 2 repr~sente un dispositif optique selon l'invention appliqué à une lsntills. Les éléments communs aux figurss 1 st 2 ont reçu 1BS
m~mes numéros de réf~rencs.
La lentllle 30 est constituée d'un bloc de germanium poss~dant deux dioptres 33 et 34. On retrouvs dans le dlsposltlf 18 clrcuit de r~froidls-ssment 6, dans loqusl circule un fluide qui baipne la tranche 31 ot une partie annulaire 32 de la lentllls 30.
Le cylindre 2 de la figure 1 est remplac6 par un manchon 26 analogue au manchon 16 et qui comprend un conduit 15a relié à la source de gaz comprimé
19 ~ travers la vanns 1A, une chambre annulaire 16a Bt des canaux obllquss 17a, Des ~ets de gaz ssc tazote ou air~ sont donc dlrlgés ~ur les dsux faces 33 et 34 de la lentille, Les faces sont rsvetues d'une couche anti-reflets.
Une telle lentille pourra @tre utillsée toutes les fols que l'on voudra falre converger un faisceau laser ds grands puissancs, dans uns application de soudags par sxempls.
104~468 Dans les exemples des figures 1 et 2, on a mentionné que le ma-tériau utilisé, respectivement pour le disqus 3 et la lentille 30 était ou ~ermanium. On peut, en variante, utiliser des matériaux semi-conducteurs tels que arsenic-gallium, cadmium-tellure et zinc-sélénium.
La durée de vie des dispositifs optiques réalisés avec ces maté- :
riaux est plus importante que celle des dispositifs réalisés avec du ger-manium, mais leur prix est beaucoup plus grand~
\ 1 ~ 4 ~ 4 ~ i8 The invention relates to the technique of strong light emissions.
power, in particular those obtained by anhydride lasers carbonic.
We know that these lasers can emit light beams with a power of up to a few kilowatts. The light emitted has a wavelength in 10.6 microns.
It is therefore excluded to use either to make these lasers, or to make the optical equipment accompanying the laser, devices glass optics, because the glass is not transparent for the longest wave shown above.
The problem SB poses in particular to realize a window closing the cavity in which is placed 1P gas mixture producing the laser beam ~ it is indeed 3 through cetts window, impervious to mixing gaseous, that the laser beam is emitted with a view to its later use.
The problem also arises when we want to r ~ aliqsr a lens to focus a laser beam of the wavelength indicated above.
We ar ~ alis6 ~ u5qu'3 ce ~ our dispo3itifs optlqu ~ s rJn chlrJrur ~ cle Bodium. This mat ~ ri ~ u, transparent at the wavelength of 10, ~ mierons, al ~
There is a risk of retaining, on the surface, the water vapor contained in the atmosphere.
2U This hygroscopy causes cleavages of the material at the time of the passage of the light rays, which first leads to losses in optical quality device, then an inevitable break.
We know that other materials do not exhibit the phenomenon of hygro-sodium chloride chloride and they have the desired transparency at the wavelength cholsie, It is for example ~ errnanium and dr ~ cr ~ rtains semiconductor compounds formed from arsenlc-gallium or cadmiurn-tsllure mixtures or zinc-sel ~ nium.
Germanium is the cheapest of these materials. But all have failure to have a strongly increasing light absorption coefficient when the temperature increases. If so we use them tBlS which to realize ~ 4 ~ 468 an optical device intended to be crossed by a strong light beam power, the heating experienced by the device will tend to increase with as the light beam passes. We are witnessing a runaway phenomenon and the optical device is quickly destroyed by heating.
An object of the invention is to provide an optical device by germanium or semiconductor material provided with means to prevent overheating so that it can be used for bright light beams power. Another object of the invention is to provide a device which keeps its optical qualities intact whatever the degree of humidity 10 of the ambient air in which it is placed during its use.
The invention has for ob ~ and an optical dispDsitif intended ~ to be crossed by a light beam having a wavelength close to 10.6 microns and a power of at least one kilowatt, including an optical element po ~ attractive two dioptric faces, in material chosen from germanium, a mixture of arsnic and gallium, a mixture of cadmium and tellurium and a mixture of zinc and key s ~ l6nium, charucterized by falt than an annular zone d 1 ~ periphery of the optical element is in contact with a cooling fluid dlsssmsnt, and that ~ Jets of dry gas are diverted to at least a few Foces ds the optical element in the ~ risur of the annullalre zones.
In an embodiment of the invsntion applied to a window optical, the optical element has sss parallel faces and only one of them is subjected to a dry gas ~ st.
In another mods of realization ~ ds the invsntion applies ~ 3 a lsntille, the disc has at least one of sss non-planar faces, and both sides of the lsntills are subjected to a jst ds gas ssc.
The refrigerant fluids are preferably carbohydrate anhydride.
liquefied boniqus. The dry eaz is preferdntisllemsnt ds nitrogen ~ as a variant, it's air.
The invention will be better understood from the description given below of 30 two embodiments of the invention, sn reference to the appended drawing, when ... . . ................ . . .
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~ L04 ~ 468 - Figure 1 is a VU8 in elevation section of a window optics, made according to the invention, - Figure 2 is a sectional view in ~ elevation of a converging lens produced according to the invention.
In Figure 1, the r ~ reference 1 designates a filled laser cavity carbon dioxide, delimited by a cylinder 2. The laser beam must exit through window 3. This window is in the form of a disc germanium. For a diameter of 60 mm, the thickness of the disc is 5mm. A
circular seal 4 ensures the ~ tightness of the laser cavity.
The cooling of the disc SB made by circulation of a fluid refrigerant in a sleeve 6, provided with a fluid inlet conduit 9 and of a fluid outlet duct 10. The fluids is advantageously anhy-carbon dioxide with a temperature close to - 65C. Unit 11 of dlsque and an annular party 12 thereof ~ bathed in the current of refrigerant to the heat produced in the center of the disc by the passage f ~ i ~ laser beam is therefore vacuated by the fluid r ~ frig ~ rant ~ through the cancel part of the disc. The width of this annular part is ~
tagsu ~ ement of the order of 10mm for the numerical example chosen above.
The seal ~ it ~ of the sleeve 6 is provided by two ~ circular anointed 7 ~ t 8 ~ 'pressing re3pectively on the cylinder 2 and on a sleeve 13, of which the role is explained now, As the disc is brought to low temperature, there is a risk of volr the humidity of the ambient air to be deposited on its ~ e ~ ce 20 in contact with the atmosphere, To avoid this ~ ets of 9BC gas, such as nitrogen or the alr, are dlri ~ 9 on the face 20 1 they thus stop the atmospheric air ~ spherical in its race towards the face 20 ~
To achieve these ~ ets, one can use a sleeve 13 provided with a Line 15 connected by a valve 18 to a source of ~ az 19 1 the conduit 15 opens onto an annular chamber 16 from which a plurality of channels emanate oblique to the plane of the face 20 of the disc and converging towards .
"
104046 ~ 3 this face, such as the channel referenced 17 in the figure.
In the numerical example chosen, we can indicate that the number of channels is advantageously 12 and that the gas flow rate is 12 liters per minute.
The faces 20 and 21 of the disc 3 are provided with an anti-reflections, A disc like the one just described, made in Germany nium and cooled ~ 0C on the periphery can let a power pass 1 kilowatt light in perr ~ nence without breaking J it can bear.
with coolant ~ ent ~ -60C, a power of 4 kilowatts for 7 seconds.
The figurs 2 represents ~ an optical device according to the invention applied to an lsntills. The elements common to the figures 1 st 2 received 1BS
m ~ my reference numbers ~ rencs.
The lens 30 consists of a block of germanium having two diopters 33 and 34. We find in the dlsposltlf 18 clrcuit de r ~ froidls-ssment 6, in loqusl circulates a fluid which baipne the section 31 ot a annular part 32 of the lens 30.
The cylinder 2 of FIG. 1 is replaced by a similar sleeve 26 to the sleeve 16 and which comprises a conduit 15a connected to the source of compressed gas 19 ~ through the vanns 1A, an annular chamber 16a Bt of the obllquss channels 17a, ~ Ets of gas ssc nitrogen or air ~ are dlrlgés ~ ur dessux sides 33 and 34 of the lens, The faces are coated with an anti-reflections.
Such a lens can be used for all purposes will want to converge a laser beam of great powers, in a application of welds by sxempls.
104 ~ 468 In the examples of Figures 1 and 2, it was mentioned that the ma-material used, respectively for the disc 3 and the lens 30 was or ~ ermanium. Alternatively, semiconductor materials such as as arsenic-gallium, cadmium-tellurium and zinc-selenium.
The lifespan of optical devices made with these materials:
is greater than that of devices made with ger-manium, but their price is much greater ~
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