CH616280A5 - - Google Patents
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Description
La présente invention concerne un procédé pour commander un faisceau cohérent de rayonnement qui est produit par un milieu gazeux dans une région de travail d'une enceinte.
Un faisceau laser est un faisceau cohérent de rayonnement 40 électromagnétique qui, en vertu de sa cohérence, est très directionnel, si bien qu'il est possible de projeter le faisceau laser sur de grandes distances avec une faible dispersion du faisceau. Comme le faisceau laser possède une cohérence spatiale, il est possible de le focaliser de façon à former une petite tache. Par 45 conséquent, il est possible d'obtenir d'énormes densités d'énergie.
Un laser à faisceau d'électrons est décrit dans le Brevet E.U.A. N° 3 702 973. Ce brevet décrit une structure et un procédé pour faire fonctionner un laser dynamique à gaz, à so décharge électrique, à gaz à haute pression, de diamètre relativement grand, dans lequel le milieu contient du gaz carbonique. On produit une décharge électrique commandée, spatialement uniforme, dans la région de travail, en introduisant un rayonnement ionisant (un large faisceau d'électrons) dans la cavité 55 optique du laser, à travers une paroi de cette cavité, de façon à produire une densité prédéterminée sensiblement uniforme d'électrons secondaires dans le milieu gazeux, en ionisant ce milieu, et en assurant en même temps un champ électrique d'entretien qui est uniforme dans toute la région de travail du 60 laser et qui assure une température prédéterminée des électrons, que l'on calcule de façon à accroître l'énergie moyenne des électrons secondaires dans la région de travail sans augmenter notablement la densité prédéterminée des électrons dans cette région. La direction du champ d'entretien, la direction du 65 faisceau laser et la direction du courant de gaz peuvent être mutuellement orthogonales.
Lorsque le laser fonctionne, le faisceau ionisant d'électrons est engendré à l'extérieur de la cavité du laser par un générateur
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de faisceau d'électrons, et il y a un large faisceau uniforme de section droite suffisante pour couvrir la région de travail relativement grande du laser. Une structure convenable pour engendrer un tel faisceau d'électrons large et uniforme est décrite dans le Brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3 749 967. Le faisceau est transmis dans la cavité du laser par une fenêtre à électrons, et dans la région de travail délimitée par le champ d'entretien. Une partie de la cavité optique du laser se trouve dans ce champ d'entretien et dans la cavité optique.
Dans la décharge d'électrons à grande puissance telle que celle qui est décrite dans le Brevet des Etats-Unis N° 3 702 973 susmentionné, la puissance de sortie du laser est à peu près proportionnelle à la puissance d'entrée dans la partie où est appliqué le champ d'entretien. Cette partie comporte une anode et une cathode entre lesquelles se trouve la région occupée par le gaz de travail, et ainsi la région de travail du laser est délimitée par cette anode et cette cathode. C'est la décharge entre l'anode et la cathode, entretenue uniformément, qui «pompe» le laser et assure ainsi l'inversion de population entre les états d'énergie qui est nécessaire pour l'action du laser. Etant donné que la puissance de sortie du laser est proportionnelle à la puissance d'entrée dans le champ d'entretien, il est possible de commander la puissance de sortie en agissant sur la tension d'entretien. Cette technique s'est avérée efficace pour les lasers à gaz de plus petite taille. Mais elle n'est pas aussi efficace pour les lasers de plus grande taille, en particulier dans les cas où il faut modifier rapidement la puissance de sortie du laser. Pour les lasers à faisceau d'électrons relativement grand, on commande la densité du faisceau d'électrons qui est projeté dans la région de travail entre les électrodes d'entretien, tout en maintenant constante la tension d'entretien. De la sorte, on fait varier l'intensité du courant d'entretien pour faire varier la puissance de sortie du laser. Cette dernière dépend elle-même de la concentration des ions qui sont produits dans la région de travail par le faisceau ionisant d'électrons.
Le faisceau ionisant d'électrons est produit par le générateur de faisceau d'électrons qui est un dispositif externe d'accélération d'électrons qui engendre un large faisceau d'électrons qui est projeté à travers une fenêtre à électrons dans la région de travail du laser. Dans le générateur de faisceau d'électrons, les électrons qui sont émis par une cathode sont accélérés par des anodes, et ainsi l'énergie des électrons qui entrent dans la région de travail du laser est déterminée par la tension des anodes d'accélération. D'habitude, on maintient constante la tension des anodes d'accélération et on fait varier la tension appliquée à une grille de commande qui est placée entre les anodes d'accélération et la cathode. Cette grille commande la densité du faisceau d'électrons qui est injecté dans la région de travail ou d'entretien du laser. Il est possible de parvenir à des variations très brusques de la puissance de sortie du laser en modifiant brusquement la tension appliquée à cette grille de commande dans le générateur de faisceau d'électrons. De la sorte, le générateur de faisceau d'électrons et le dispositif d'entretien fonctionnent conjointement, d'une façon similaire à un tube à vide à tétrode, en commandant la puissance de sortie du laser, cette dernière étant commandée par un potentiel de grille dans le générateur de faisceau d'électrons.
Jusqu'à présent, un laser à gaz carbonique à faisceau d'électrons construit et utilisé comme décrit ci-dessus et comportant un générateur de faisceau d'électrons et un dispositif d'entretien, comportait un dispositif de commande à rétroaction du type «à zéro». Ce dispositif détecte le courant du faisceau d'électrons et compare ce courant à une norme fixée au préalable par l'opérateur, en émettant un signal de commande qui représente la différence. Ce signal de commande est appliqué à la grille de commande du générateur de faisceau d'électrons. Ce dispositif à rétroaction est destiné surtout à compenser les variations qui pourraient résulter par exemple de modifications de la tension du secteur électrique, de dérives des composantes de l'alimentation électrique, ou d'autres facteurs qui pourraient influencer l'amplitude du courant du faisceau d'électrons. Il ne permet pas tout à fait de corriger les perturbations de la sortie 5 du faisceau laser, et il est donc moins efficace qu'il ne le faudrait dans les cas où il faut maintenir constant et pratiquement sans perturbations le faisceau de sortie du laser, ou bien dans les cas où il faut modifier brusquement la puissance du faisceau, par exemple lorsque le faisceau est «puisé».
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Selon la présente invention, il est procuré un procédé pour commander un faisceau cohérent de rayonnement qui est produit à partir d'un milieu gazeux dans une région de travail d'une enceinte, procédé consistant à intercepter le faisceau cohérent 15 de rayonnement à sa sortie de l'enceinte, à transformer le rayonnement intercepté en un signal de rétroaction électrique représentatif de la puissance du rayonnement intercepté, et à procéder à la commande voulue du faisceau de rayonnement cohérent en utilisant le signal de rétroaction électrique pour 20 commander un faisceau d'électrons qui est introduit dans la région de travail depuis l'extérieur de l'enceinte, le faisceau d'électrons produisant dans ledit milieu une densité prédéterminée et spatialement uniforme d'électrons secondaires, dont l'énergie moyenne est suffisamment augmentée par un champ 25 électrique dans la région de travail pour stimuler l'émission du faisceau cohérent de rayonnement sans augmenter la densité prédéterminée d'électrons produite par le faisceau d'électrons.
Il est possible de mettre ce procédé en oeuvre en faisant appel à un dispositif optique pour intercepter périodiquement 3o un faisceau laser et diriger le rayonnement intercepté, à travers des atténuateurs optiques, vers un détecteur de rayonnement qui produit un signal électrique représentatif de la puissance du faisceau périodiquement intercepté et se composant d'une série d'impulsions au rythme d'interception du faisceau laser. Les 35 impulsions successives peuvent être combinées par un circuit de traitement qui produit un signal pratiquement stable dont le niveau est proportionnel à la puissance du faisceau laser. Le niveau de ce signal peut être comparé à un niveau normal de signal qui est commandé par l'opérateur, pour produire un 40 signal de différence servant à commander le générateur du faisceau d'électrons. Le signal de différence peut éventuellement être amplifié et appliqué directement à la grille du générateur du faisceau d'électrons, ou bien peut éventuellement être transmis par un émetteur télémétrique à un récepteur télémétri-45 que à l'emplacement du générateur du faisceau d'électrons, où le signal de différence qui est reçu est extrait, amplifié et appliqué pour commander la grille du générateur d'électrons.
Dans un appareil préféré de mise en oeuvre du procédé de la présente invention, en ce qui concerne la partie optique du 50 dispositif à rétroaction, l'ensemble du faisceau laser de sortie est périodiquement échantillonné par des parties d'un miroir réflecteur sur une roue qui tourne. Le rayonnement du faisceau de sortie qui est réfléchi est atténué de plusieurs ordres de grandeur dans le dispositif optique et focalisé sur le détecteur de rayonne-55 ment qui produit un signal représentatif de la puissance du rayonnement réfléchi. Dans ce dispositif optique, il est prévu un diviseur de faisceau qui dirige une partie importante du rayonnement réfléchi par les parties du miroir sur un appareil de mesure de puissance qui indique la puissance de sortie du laser. 60 L'appareil préféré comporte également un circuit de traitement de signaux qui traite le signal venant du détecteur de rayonnement. Plus précisément, le train d'impulsions qui provient du détecteur est couplé de façon capacitive à un amplificateur, dont la sortie alimente ensuite un redresseur biphasé. La 65 sortie du circuit redresseur est reliée à un condensateur de filtrage qui lisse le signal de sortie en produisant un signal de niveau pratiquement stable qui indique la puissance de sortie du faisceau laser et qui est pratiquement affranchi des harmoniques
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de fréquence du secteur électrique qui apparaissent dans le faisceau laser de sortie. Il est alors possible de comparer le niveau de ce signal de sortie avec le signal normal commandé par l'opérateur, pour produire le signal de différence qui commande le générateur du faisceau d'électrons.
Afin de rendre ce dispositif de commande à rétroaction plus sensible aux variations brusques de la puissance du faisceau de sortie du laser, comme lorsque le faisceau est volontairement puisé, un signal issu du générateur du faisceau d'électrons et représentatif de l'intensité du courant du faisceau d'électrons est de préférence différencié et ajouté au signal moyen, puis la somme des deux est comparée au signal normal commandé par l'opérateur. Le but de l'addition de la différentielle de l'intensité du courant du faisceau d'électrons au signal moyen issu du faisceau laser de sortie est d'améliorer la réponse transitoire du dispositif de commande. Il y a lieu de noter que le calcul de la moyenne du signal ne peut être que plus lent que la détection, et que si le signal moyen permet très bien de commander le laser dans son fonctionnement en régime permanent, il est trop lent pour réagir à des variations brusques de la puissance de sortie du laser, comme lorsque le laser est puisé. D'autre part, le générateur du faisceau d'électrons, et plus précisément l'intensité du faisceau d'électrons, allume et éteint directement le faisceau laser, et ce courant peut même devancer légèrement le faisceau laser. Par conséquent, la somme de la différentielle de l'intensité du courant du faisceau d'électrons et du signal de commande stabilise le circuit de commande de puissance du laser et en fait permet une réponse rapide lorsque c'est nécessaire.
On va maintenir décrire l'invention plus en détail en se reportant aux planches de dessins annexées, sur lesquelles:
La Figure 1 est un schéma représentant la structure, le dispositif et l'appareil de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, dans un laser à gaz carbonique à circulation de gaz et à faisceau d'électrons ;
La Figure 2 est une vue schématique en perspective faisant apparaître les directions d'émission d'électrons, de circulation de gaz et du faisceau laser dans la région d'entretien ou de travail d'un type de laser à faisceau d'électrons;
La Figure 3 est une vue éclatée du dispositif optique qui fait partie du dispositif de rétroaction optique qui intercepte une fraction du rayonnement de sortie du laser pour en détecter la puissance et engendrer le signal de rétroaction ;
La Figure 4 est une vue de devant de la roue réflectrice à rayons du dispositif optique ;
La Figure 5 est une vue agrandie d'un rayon réflecteur de la roue, représentant le faisceau incident de sortie du laser;
La Figure 6 est une forme d'onde représentant les signaux électriques qui sont produits par un détecteur pyro-électrique dans le dispositif optique;
La Figure 7 est une vue en coupe d'un miroir perforé de division de faisceau faisant partie du dispositif optique ;
La Figure 8 est une vue partiellement en coupe d'un atténuateur de rayonnement formé par un treillis à mailles fines qui sert à réduire de plusieurs ordres de grandeur l'intensité du faisceau laser de rétroaction ;
La Figure 9 est un schéma électrique simplifié du dispositif électrique qui fait partie du dispositif de rétroaction ;
La Figure 10 représente la forme d'onde du signal de sortie électrique émis par le pré-amplificateur du détecteur pyro- électrique;
La Figure 11 représente la forme d'onde du signal de sortie du circuit de calcul de la moyenne, dans le dispositif électrique qui traite le signal issu du détecteur ; et
La Figure 12 est un schéma électrique simplifié d'un autre circuit électrique de transmission du signal du détecteur.
Le schéma de la Figure 1 fait apparaître le générateur 1 du faisceau d'électrons, le dispositif d'entretien 2 et la région de travail 26 du laser, le dispositif 3 de commande à rétroaction, y compris ses sous-systèmes optique et électrique, désignés respectivement par les repères numériques 4 et 5, l'alimentation électrique 6 à haute tension qui alimente le générateur du faisceau d'électrons, le générateur 7 du signal d'entrée commandé par l'opérateur, et le circuit 8 de combinaison et de transmission des signaux d'entrée et de rétroaction. Le but des signaux de rétroaction et des signaux d'entrée commandés par l'opérateur est de commander le faisceau d'électrons issu du générateur du faisceau d'électrons qui excite le milieu gazeux du laser dans la région de travail du dispositif d'entretien. Le signal d'entrée commandé par l'opérateur qui provient du générateur 7, et le signal de rétroaction électrique qui provient du sous-ensemble 5 de rétroaction électrique (appelé ici «circuit de traitement») se combinent dans le circuit 8 en donnant le signal de commande de grille du faisceau d'électrons qui est transmis à l'alimentation électrique 6 à haute tension pour commander la grille du faisceau d'électrons.
Le générateur 1 du faisceau d'électrons, tel qu'il est représenté sommairement sur la Figure 1, comporte une enveloppe 10 ayant à l'une de ses extrémités une fenêtre 12 à électrons à barrière de vide, qui est conçue pour permettre au faisceau d'électrons 13 qui est engendré à l'intérieur de l'enveloppe, de sortir par la fenêtre. A l'intérieur de l'enveloppe sont disposées une cathode 14, une grille de commande 15 et des anodes d'accélération 16 et 17. La tension qui les alimente est fournie par l'alimentation électrique 6 par l'intermédiaire de lignes 19 et 22 enfermées dans le câble blindé 24. L'anode 17 est reliée à la terre, la cathode 14 est négative par rapport à la terre, et la tension qui est appliquée à l'anode 16 lui donne un potentiel intermédiaire. De la sorte, la densité des électrons qui partent de la cathode et atteignent le champ accélérateur entre les anodes 16 et 17 dépend de la tension qui est appliquée à la grille de commande 15. Les électrons qui sont accélérés par le champ accélérateur entre les anodes 16 et 17 entrent dans la fenêtre 12 et sortent de cette fenêtre sous la forme d'un large faisceau d'électrons d'énergie relativement uniforme, la densité de ce faisceau étant déterminée par la tension de grille.
Le large faisceau d'électrons traverse le court espace 25 qui contient le milieu gazeux du laser à la pression de fonctionnement du laser. De la sorte, le faisceau sort du vide de l'enveloppe 10 pour entrer dans une région où règne une pression de gaz importante, et pénètre dans la région de travail du laser, désignée par le repère numérique 26. Cette région de travail se trouve entre les électrodes d'entretien 27 et 28 qui sont espacées pour que le gaz de travail puisse passer entre ces électrodes (suivant la flèche horizontale sur la Figure 1). L'axe optique 30 du laser se trouve également entre ces électrodes, et la direction du faisceau laser, la direction du courant de gaz et l'axe optique de la cavité du laser sont mutuellement orthogonaux.
Les électrodes d'entretien sont alimentées par la tension de l'alimentation d'entretien 29 de telle manière qu'une différence de tension pratiquement fixe est appliquée à ces électrodes, et ainsi la puissance fournie aux électrodes d'entretien dépend de l'impédance qui existe entre elles, telle qu'elle est déterminée par la densité des ions produits dans la région de travail par le faisceau d'électrons incident 31.
La tension qui est appliquée à la grille de commande 15 dans le générateur du faisceau d'électrons est commandée par le circuit 32 de commande de polarisation de la grille, qui est placé dans l'alimentation électrique 6 à haute tension. La cathode 14 du générateur du faisceau d'électrons est négative par rapport à la terre, d'environ 70 kV ou plus. La cathode se raccorde à la sortie à haute tension de l'alimentation 33 à 70 kV dans l'alimentation électrique 6 à haute tension. La grille 15 du générateur du faisceau d'électrons est elle aussi à environ moins 70 kV par rapport à la tension de grille qui est déterminée par le circuit 32 de commande de grille. Le filament de cathode est
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commandé par le circuit 34 de commande de filament, et puissance de sortie du laser de façon à faire disparaître la l'anode d'accélération 16 est commandée par le circuit 35, ces différence.
deux circuits se trouvant dans l'alimentation électrique 6 à haute La Figure 2 représente les coordonnées qui sont associées au tension. De la sorte, les circuits de commande de grille, de faisceau d'électrons, à la direction du courant de gaz, et à la cathode, de filament de cathode et d'anode d'accélération, ainsi 5 cavité optique du laser. Le milieu gazeux qui passe dans le que l'alimentation électrique de 70 kV, sont tous contenus dans dispositif dans la direction indiquée par la flèche verticale peut l'enceinte 36 de l'alimentation électrique à haute tension. être constitué par exemple par 16 % de gaz carbonique, 34 %
La tension de grille de commande du faisceau d'électrons d'azote et 50 % d hélium, provenant d une source convenable peut être transmise par voie télémétrique au circuit de com- (non représentée). Ce gaz est dirigé dans la région de travail 26
mande de grille, au lieu de lui être transmise par des fils de , „ de la cavité optique de laser qui est délimitée par les miroirs 46
cuivre dur. Pour cela, le transformateur d'isolement 37 constitue et 47. Des détails supplémentaires du laser, du dispositif d'en-
le lien entre le niveau de tension 70 kV, à l'intérieur de tretien et du générateur du faisceau d'électrons se trouvent dans l'enceinte 36 d'alimentation électrique et du générateur du les Brevets mentionnés ici.
faisceau d'électrons, et le monde extérieur. Comme décrit également dans le Brevet E.U.A. N°.
Le dispositif de rétroaction d'un faisceau laser 31 commence 15 3 702 973, l'intérieur de l'enveloppe 10 du générateur du fais-
par le sous-ensemble optique 4 qui intercepte par intermittence ceau d'électrons est mis sous vide pour que le large faisceau le faisceau laser de sortie et dirige une partie de la partie d'électrons 13 puisse y être formé et commandé. Ce faisceau est interceptée de ce faisceau, par l'intermédiaire de diviseurs et lancé vers la plaque conductrice réticulée 48 qui fait partie de la d'atténuateurs de faisceau optique, sur un détecteur de rayonne- fenêtre 12 dans l'enveloppe. La plaque 48 peut être en acier ment optique qui produit des impulsions de signal électrique, 211 inoxydable ou en un matériau similaire et est recouverte d'une chaque impulsion étant rendue proportionnelle à l'énergie de mince feuille d'un matériau ou membrane 49 qui possède une faisceau laser qui est interceptée. résistance mécanique suffisante pour supporter la différence de
Les impulsions qui sortent du détecteur de rayonnement pression qui règne entre 1 intérieur de l'enveloppe et la région sont envoyées dans les circuits 5 de traitement de signal de 25, et qui cependant transmet les électrons sans absorber une rétroaction. Les circuits de traitement réagissent aux impulsions 25 partie excessive de leur énergie, car sinon elle se casserait ou se et, dans certaines formes de réalisation de la présente invention, déchirerait.
réagissent à d'autres signaux qui proviennent de l'alimentation Le large faisceau 13 qui sort de la fenêtre 12 et entre dans la
électrique 6 à haute tension en produisant dans leur sortie, dans région 25 traverse une plaque cathodique réticulée 27 qui peut la ligne 5a, un signal électrique d'un niveau pratiquement con- être faite d'un treillis métallique, et entre dans la région de stant qui représente la puissance, en régime permanent, du 3» travail 26. Dans cette région de travail, l'énergie des électrons faisceau laser. Ce signal est envoyé dans les circuits 8 de est entretenue par le champ électrique d entretien qui est appli-
combinaison et de transmission, dans lesquels il est comparé à qué entre les plaques anodique et cathodique respectives 28 et un signal provenant du générateur 7 de signal d'entrée com- 27, disposées en regard l'une de l'autre, qui sont reliées à
mandé par l'opérateur, dans la ligne 7a, en donnant un signal de l'alimentation électrique d'entretien 29.
différence qui sert à commander la grille du générateur du 35 Le faisceau d électrons ionisant qui est ainsi produit, en faisceau d'électrons. pénétrant dans la région de travail du laser, fournit dans cette région de travail une source d'électrons secondaires à tempéra-
Dans les circuits 8 de combinaison et de transmission, le ture très basse, et augmente le rendement par décharge électri-
signal d'entrée commandé par l'opérateur qui passe dans la ligne que, comme décrit plus complètement dans le Brevet E.U.A.
7a commande une alimentation 41 en courant continu qui 40 N°. 3 702 973 susmentionné. Conformément à la présente produit dans la ligne 41a un signal de commande normal qui invention, le faisceau d'électrons est également commandé par représente le signal de commande de l'opérateur. Ce signal la rétroaction du faisceau laser de sortie et commande à son tour normal est comparé au signal de rétroaction traité qui provient la puissance de sortie du faisceau laser. Plus précisément, con-
de la ligne 5a, par l'amplificateur totalisateur 42. De la sorte, la formément à la présente invention, la densité du large faisceau sortie de l'amplificateur totalisateur reflète la différence entre le 45 d'électrons qui pénètre dans la région de travail 26 est comman-
signal de rétroaction et le signal normal. Ce signal de différence dée électroniquement dans le générateur 1 du faisceau d'élec-
est envoyé dans un modulateur 43, dans lequel il sert à moduler trons.
l'amplitude d'un signal de 10 kHz venant d'un oscillateur 44. Ce La boucle de rétroaction a pour effet de commander et de signal modulé est amplifié par un amplificateur 45 et transmis maintenir constante la puissance du faisceau laser, au niveau ou bien appliqué directement au transformateur d'isolement 37 50 demandé par le signal d'entrée commandé par l'opérateur. Le dans l'alimentation électrique 6 à haute tension. Le modulateur sous-ensemble optique de la boucle de rétroaction échantillonne
43, l'amplificateur 44 et le primaire 37p du transformateur la puissance du faisceau laser en interceptant périodiquement la d'isolement 37 peuvent être considérés comme un émetteur totalité du faisceau de sortie et en dirigeant le rayonnement télémétrique. Le signal modulé de 10 kHz qui apparaît sur le intercepté sur un détecteur de rayonnement qui produit un secondaire 37s de ce transformateur est démodulé et appliqué à 55 signal électrique, et à partir de ce signal électrique il est obtenu la grille 15 de commande du faisceau d'électrons, par le circuit un signal électrique de rétroaction qui est combiné au signal
32 de commande de polarisation de grille. Dans le circuit 32, le d'entrée de façon à commander la puissance de sortie du laser,
signal modulé de 10 kHz est redressé par un redresseur à pont, Le sous-ensemble optique est représenté sur la Figure 3 et se filtré pour être débarrassé de ses ondulations, et ajouté à la compose d'une roue 51 à rayons qui est entraînée par un moteur tension de 70 kV qui est appliquée à la grille du générateur du <,» synchrone 52 tournant à 1800 tours par minute. Les miroirs qui faisceau d'électrons. On a donc un dispositif de commande à sont placés sur les rayons 53 de la roue interrompent le faisceau rétroaction à boucle fermée qui échantillonne la puissance du laser 31 et réfléchissent une première partie, par exemple faisceau laser en donnant un signal de rétroaction représentatif environ 3 % de la puissance de sortie totale du faisceau. Cette de cette puissance, et qui compare ce signal au signal de sortie partie réfléchie du faisceau, désignée par le repère numérique du générateur 7 commandé par l'opérateur, en produisant un <,5 54, est entièrement dirigée sur un miroir perforé 55 qui fonc-
signal de différence. Ce signal de différence est alors transmis au tionne comme un diviseur de faisceau. Un certain pourcentage circuit 32 de commande de polarisation de grille pour modifier faible, par exemple environ 1 % du rayonnement échantillonné
la tension de grille dans la mesure du nécessaire pour modifier la 54 du faisceau laser, traverse le miroir 55 et est désigné par le
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6
repère numérique 54a. Le faisceau 54a, qui représente alors, par exemple, un pour cent de trois pour cent de la puissance du faisceau laser initial 31, est encore atténué par l'atténuateur de rayonnement 56, en treillis, puis est focalisé par une lentille 57 sur un détecteur pyro-électrique 58 de rayonnement. Cependant, la majeure partie du faisceau laser échantillonné 54 est réfléchie par le miroir perforé 55, sous la forme d'un faisceau 54b, sur un appareil 59 de mesure de puissance à thermocouple différentiel. Cet appareil de mesure permet de surveiller la puissance du laser et surtout de vérifier qu'il fonctionne à une valeur moyenne de régime.
Le faisceau laser 31 qui sort d'un laser type à faisceau d'électrons tel que celui qui est décrit dans le présent brevet a une forme annulaire. En d'autres termes, dans la section droite du faisceau, l'intensité du rayonnement au centre est faible ou même nulle, tandis qu'elle est beaucoup plus grande vers les bords du faisceau. Par ailleurs, et de manière typique, la densité de puissance en des points correspondants de la section du faisceau peut être différente. Par exemple, autour de l'anneau du faisceau, à une distance donnée du centre du faisceau, la densité de puissance peut varier. Par ailleurs, toutes ces variations peuvent être temporelles. Aussi, pour s'assurer que les échantillons du faisceau représentent vraiment la puissance totale du faisceau, on fait en sorte que chaque échantillon balaie la totalité de la section droite du faisceau. En outre, il faut que la totalité de l'échantillon soit transmise à travers une partie du miroir perforé 55, et il faut que le miroir soit uniformément perforé pour que la partie transmise 54a soit en tout point totalement représentative de l'échantillon 54. En outre, il faut que la fraction 54a de l'échantillon soit atténuée uniformément par les écrans 56, et que tout le rayonnement restant soit focalisé sur la surface active du détecteur pyro-électrique 58 de rayonnement. Il y a lieu de noter que la superficie d'un tel détecteur de rayonnement est de l'ordre de quelques millimètres carrés. Ces impératifs du sous-ensemble optique sont tous pris en considération dans la conception et la mise en pratique du sous-ensemble, ainsi que dans la conception de chacune des pièces du dispositif.
Un autre facteur important qui est pris en compte dans la boucle de rétroaction totale est que l'amplitude du faisceau 54a qui frappe la surface active du détecteur pyro-électrique est «puisée», et que ces impulsions ont une forme d'onde qui présente une double bosse, en raison de la forme annulaire de la section droite du faisceau, et de la façon dont le faisceau est échantillonné pour produire l'impulsion. En conséquence, les impulsions de signal électrique qui sortent du détecteur pyroélectrique 58 sont représentées par une forme d'onde qui présente la même forme à double bosse.
La raison de la forme à double bosse des impulsions sortant du détecteur 58 apparaît sur les Figures 5 et 6. La Figure 5 est une vue agrandie de l'un des rayons de la roue d'échantillonnage, et du faisceau laser de sortie 31. La roue d'échantillonnage, qui est représentée également sur la Figure 4, a douze rayons, ou plutôt douze ouvertures indentiques, telles que l'ouverture 60, à travers lesquelles le faisceau laser 31 se projette à mesure que la roue tourne, et ces ouvertures sont assez grandes pour que, lorsqu'elles se trouvent en regard du faisceau 31, la totalité du faisceau traverse la roue et aucune partie du faisceau ne soit interceptée par la roue. La relation entre le nombre de rayons ou d'ouvertures de la roue, la vitesse de rotation de la roue et la fréquence du courant électrique qui alimente les parties électriques du laser est décrite ci-dessous.
Reportons-nous encore aux Figures 4, 5 et 6. Chaque rayon de la roue porte un réflecteur de rayonnement, par exemple le réflecteur 61. Ce réflecteur est dirigé radialement au rayon et est fait d'un matériau qui est très réflecteur pour le rayonnement ayant la longueur d'onde du faisceau laser. Par exemple, si la longueur d'onde du rayonnement laser est de l'ordre de 10,6
microns, alors les réflecteurs peuvent être faits de cuivre ou d'argent ou d'acier plaqué de cuivre. Il s'agit là de quelques exemples seulement de matériaux convenables. Il est évident que toute la roue peut être faite de ce même matériau réflecteur. Chaque rayon qui intercepte le faisceau réfléchit une partie du faisceau et contribue à la formation du faisceau réfléchi 54.
Les réflecteurs qui se trouvent sur les rayons de la roue sont assez longs pour embrasser toute la dimension du faisceau laser 31 lorsque le réflecteur croise le faisceau. Par exemple, si l'angle de réflexion ou de déviation de la partie 54 du faisceau laser est égale à 90°, on place la roue à rayons sous un angle de 45° par rapport à la direction suivie par le faisceau laser de sortie 31. Par conséquent, le réflecteur se trouve à 45° de l'axe du faisceau, et ainsi la longueur du réflecteur doit obligatoirement être plus grande que la dimension de section droite du faisceau, afin que la totalité du faisceau soit interceptée par le réflecteur lorsque ce dernier croise le faisceau.
Le réflecteur doit être optiquement plat et avoir des bords vifs pour que tout le rayonnement réfléchi soit contenu dans le cône de rayonnement 54.
Dans les cas où le courant électrique qui alimente l'alimentation électrique 6 à haute tension et l'alimentation électrique d'entretien 29 provient d'une source à 60 périodes, il est préférable que la roue à rayons tourne à un sous-harmonique de 60 périodes. Par exemple, la roue à rayons peut être entraînée à 1 800 tours par minute par un moteur synchrone 52. Il est préférable que la vitesse de rotation de la roue soit un sous-harmonique de la fréquence de la tension source car le faisceau laser de sortie contient les composantes de la fréquence de la tension source (également appelée «fréquence du secteur électrique»). Si la vitesse du moteur qui entraîne la roue n'est pas un sous-harmonique de cette fréquence, des fréquences de battement apparaissent dans le faisceau réfléchi 54.
Le miroir perforé 55 est une plaque de cuivre polie dans laquelle on a percé des trous pour permettre à une partie du faisceau échantillonné 54 du faisceau laser de sortie de traverser le miroir. La lumière qui ne traverse pas ce miroir est soit diffusée ou absorbée, ou bien est réfléchie sur le détecteur 59 à thermocouple à action lente. Une vue en coupe de la plaque perforée 65 en cuivre du miroir 55 apparaît sur la Figure 7.
Cette plaque intercepte le faisceau 54 à 45° sur la face polie 66 de la plaque. Les perforations de la plaque sont des trous alésés 67 de dimensions uniformes et également répartis dans l'ensemble de la plaque. Il est évident que le pourcentage de rayonnement du faisceau incident 54 qui traverse la plaque en formant le faisceau 54a dépend de l'angle que fait la plaque avec le faisceau incident, de la densité des trous et des dimensions des trous. Cette plaque est de préférence montée rigidement dans le dispositif optique et peut éventuellement être refroidie pour conserver ses dimensions. Typiquement, environ un pour cent du rayonnement du faisceau incident 54 traverse la plaque, environ le même pourcentage est diffusé, et environ deux pour cent sont absorbés. Par conséquent, la plus grande partie du rayonnement se réfléchit sous la forme du faisceau 54b sur le détecteur de puissance à thermocouple et à action relativement lente.
Le faisceau 54a qui traverse le miroir perforé est encore atténué par la série d'écrans 56 à mailles fines qui se composent, par exemple, de trois écrans 56a, 56b et 56c en acier inoxydable, qui sont soudés l'un à l'autre sur leur pourtour et enserrés entre deux bagues de cuivre 63 et 64. Les lignes de mailles de ces trois écrans sont décalées de 60° l'une par rapport à l'autre de façon à réduire ou supprimer la formation de diagrammes de Moiré, et les bagues de cuivre 63 et 64 peuvent éventuellement être refroidies pour assurer la stabilité dimensioneile des écrans. Dans le cas où la longueur d'onde du rayonnement laser est d'environ 10,6 microns, les écrans peuvent avoir des mailles d'environ 20 fils par centimètre linéaire.
s ui
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Le miroir perforé 55 et les écrans 56 à mailles fines atténuent ensemble, d'environ trois ordres de grandeur, l'échantillon
54 du faisceau laser de sortie. Par exemple, si la puissance du faisceau laser de sortie est de 20 kW, environ 0,6 kW frappe le miroir perforé, qui en transmet 6 watts. Ces 6 watts sont ramenés à moins de un watt environ par les écrans 56 à mailles fines, et ainsi la puissance du rayonnement qui est focalisé sur le détecteur pyro-électrique 58 est de moins de un watt environ. Le repère numérique 57 désigne une lentille convexe ou piano-convexe qui focalise sur la surface du détecteur pyro-électrique 58 le large faisceau qui est transmis à travers la plaque perforée
55 et les atténuateurs 56. Le matériau dont est faite cette lentille doit être transparent à la longueur d'onde laser du faisceau qui est focalisé. Pour un laser à infrarouge, on a utilisé de manière satisfaisante des lentilles en séléniure de zinc. Le détecteur peut avoir une surface active d'environ 10 millimètres carrés. Par conséquent, la puissance qui atteint le détecteur est d'environ 10 watts par centimètre carré. Dans ce cas, il faut maintenir la température du détecteur en deçà de la température pour laquelle sa fonction cesse d'être linéaire. Pour cela, des ailettes de refroidissement (non représentées) sont reliées au détecteur et refroidies par un courant d'air.
Considérons maintenant la Figure 9, qui représente un schéma électrique simplifié de la partie électrique du dispositif de rétroaction, comprenant le circuit 5 de traitement de signal et' des parties du circuit 8 de combinaison et de transformation du signal d'entrée, représentés également sur la Figure 1. Ces circuits réagissent à trois signaux d'entrée: un signal venant du détecteur pyro-électrique 58 ; un autre signal venant du générateur 7 de signal d'entrée commandé par l'opérateur, qui fixe la puissance de sortie du faisceau laser; et troisièmement un signal provenant du générateur du faisceau laser, qui représente l'intensité du courant du faisceau laser et qui peut provenir de l'alimentation électrique 33 de 70 kV. La nature de ces signaux et la façon dont ils sont combinés par le sous-ensemble électrique du dispositif de rétroaction sont expliquées ci-dessous.
Le détecteur 58 a une forte impédance. Cela est important car il peut y avoir une longueur considérable de câble entre le détecteur et les autres composants du circuit, si bien que la capacité du câble serait importante et aurait pour effet de décharger le détecteur en diminuant le niveau du signal de sortie. Pour résoudre en partie ce problème, on fait en sorte que la sortie du détecteur alimente directement un pré-amplificateur 71 au voisinage immédiat du détecteur. Ce pré-amplificateur sert de tampon entre le détecteur et le câble 72 qui achemine les signaux détectés. Par conséquent, le câble ne décharge pas le détecteur et ne réduit pas le niveau du signal sortant du détecteur. Le pré-amplificateur 71 est un amplificateur opérationnel classique qui a de manière caractéristique une forte impédance d'entrée et une faible impédance de sortie. Le signal qui sort du détecteur se compose d'une série d'impulsions, à raison d'une impulsion pour chaque fois qu'un réflecteur 61 de la roue à rayons croise le faisceau laser de sortie 31. Les Figures 5 et 6 permettent de comprendre la forme de ces impulsions.
Etant donné que le faisceau laser a une forme annulaire (il est plus ou moins creux), à mesure que le miroir allongé 61 tourne sur la trajectoire du faisceau, il intercepte un pourcentage variable du rayonnement, et ainsi le faisceau laser réfléchi 54 est «puisé», et chaque impulsion a la forme caractéristique représentée Figure 6. Plus précisément, l'impulsion peut présenter deux bosses, une au début et une à la fin de l'impulsion, car le miroir intercepte au début et à la fin de l'impulsion un plus grand pourcentage du rayonnement qu'au milieu de l'impulsion. Par ailleurs, la densité de puissance en des points correspondants de la section du faisceau peut être différente et peut varier, et ces variations peuvent être temporelles. Ces caractéristiques du faisceau laser intercepté, et donc du rayonnement réfléchi, ont été expliquées plus haut. Mais le résultat est que les impulsions à la sortie du détecteur 58 ne seront pas uniformes, et que chaque impulsion ne sera pas symétrique, et une succession représentative d'impulsions du détecteur pourrait apparaître comme représentée par la forme d'onde de la Figure 10. Le s problème devient alors d'obtenir à partir des impulsions un signal qui est constant lorsque la puissance du faisceau laser est constante même s'il y a dans le faisceau des fluctuations d'intensité spatiales et temporelles transitoires. Pour cela, il est prévu un circuit classique 73 de réduction à la moyenne.
m L'effet du circuit 73 de réduction à la moyenne apparaît sur les Figures 10 et 11. La Figure 10 est la forme d'onde au point 72. Sa tension moyenne est nulle car l'amplificateur de sortie 71 est relié par courant alternatif au circuit 73 de réduction à la moyenne. Le condensateur de couplage (non représenté) est 15 compris dans l'amplificateur 71. Ce signal alimente un redresseur biphasé qui permet d'obtenir un résultat à peu près idéal, et qui est compris dans le circuit 73 de réduction à la moyenne.
La Figure 11 est la forme d'onde à la sortie du circuit de réduction à la moyenne, le condensateur de filtrage (compris en 2o 73) étant supprimé. Le condensateur de filtrage étant en place, on obtient un niveau de courant continu pratiquement lisse qui représente la tension moyenne de la forme d'onde 11.
Par conséquent, en même temps que le faisceau laser de sortie monte en réponse à une variation de l'intensité du courant '25 du faisceau d'électrons, l'amplitude des impulsions sortant du détecteur 58 s'élève également, et il en est de même pour le niveau du signal de courant continu de sortie qui provient du circuit de réduction à la moyenne. La réaction du circuit de réduction à la moyenne ne peut être que lente par rapport à la .m réaction des autres parties du dispositif. Il est évident que le circuit de réduction à la moyenne ne peut réagir aussi rapidement que les autres parties du dispositif, car s'il n'en était pas ainsi, la puissance de sortie du faisceau laser oscillerait à la fréquence de répétition des impulsions du train d'impulsions 35 venant du détecteur, ou éventuellement à une fréquence plus élevée. L'un des buts du circuit de réduction à la moyenne est de supprimer la fréquence de répétition d'impulsions pour les impulsions venant du détecteur.
La vitesse relativement faible de réaction du circuit de 4(i réduction à la moyenne signifie que, lorsque la puissance du faisceau laser de sortie passe brutalement d'un niveau à un autre, le niveau du signal de courant continu venant du circuit de réduction à la moyenne ne suit pas immédiatement cette variation. Par conséquent, pendant le fonctionnement du laser en 45 régime transitoire, par exemple lorsqu'on modifie volontairement la puissance de sortie du faisceau laser en la faisant passer d'un niveau à un autre, le signal de rétroaction venant du circuit de réduction à la moyenne est insuffisant. La comparaison, par l'amplificateur totalisateur 42, d'un signal de rétroaction aussi so insuffisant avec le signal de commande d'entrée venant du générateur 7, produirait pour le générateur du faisceau d'électrons un signal de commande demandant une intensité de courant du faisceau d'électrons plus grande qu'il n'est nécessaire, et ainsi l'ensemble du dispositif se surchargerait et peut 55 être reviendrait en oscillant à la stabilité, suivant les constantes de temps du dispositif.
On compense cette tendance à la surcharge lorsqu'une variation brusque de la puissance de sortie du laser est deman-60 dée, en ajoutant la différentielle de la densité du courant du faisceau d'électrons à la sortie du circuit 73 de réduction à la moyenne. Pour cela, on obtient du générateur du faisceau d'électrons un signal qui représente l'intensité du faisceau. Ce signal peut être obtenu aux bornes de l'impédance 33a de fl5 l'alimentation électrique (voir la Figure 1). Le signal issu du générateur du faisceau d'électrons alimente un amplificateur tampon non-inverseur classique 75 dans le circuit 5 de traitement de signal, et la sortie de cet amplificateur est différenciée
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par un circuit de différentiation classique 76 qui peut se composer tout simplement d'un condensateur 77 et d'une résistance 78, comme représenté. Dans les cas, par exemple, où l'intensité du courant du faisceau d'électrons subit une variation brusque représentée par la forme d'onde 81, la différentielle est représentée par la forme d'onde 82. Cependant, le signal de sortie du circuit 73 de réduction à la moyenne apparaîtra comme représenté par la forme d'onde 83. Il est évident que le signal différentiel ou forme d'onde 82 est l'inverse du signal venant du circuit de réduction à la moyenne et ainsi en faisant la somme de ces deux signaux dans l'amplificateur totalisateur 85 on obtient un signal de rétroaction traité qui reproduit à peu près la fonction de décrochement (forme d'onde 81) de l'intensité du courant du faisceau d'électrons pendant les conditions transitoires, et qui fournit également un signal constant pendant le régime permanent, à l'abri des fluctuations spatiales et temporelles du faisceau.
L'amplificateur totalisateur 85 qui produit le signal de rétroaction traité peut être un amplificateur opérationnel classique ayant une forte impédance d'entrée et une faible impédance de sortie, et cet amplificateur inverse la phase de l'entrée totalisée. Ce signal de sortie est envoyé dans un autre amplificateur opérationnel classique 86 qui inverse de nouveau la phase pour qu'il n'y ait pas d'inversion de phase du signal depuis le circuit 73 de réduction à la moyenne, et le signal de sortie de l'amplificateur 86 est envoyé à l'une des entrées de l'amplificateur totalisateur classique 42 dans les circuits 8 de combinaison et de transmission. Cet amplificateur totalisateur peut avoir plusieurs entrées. L'une des entrées est le signal de rétroaction traité venant de l'amplificateur 86, qui est envoyé dans la résistance d'entrée 87, et un autre signal d'entrée est le signal d'entrée commandé par l'opérateur, venant du générateur 7, qui est envoyé dans la résistance d'entrée 88. D'autres signaux d'entrée pour l'amplificateur totalisateur 82 peuvent éventuellement comprendre: un signal d'entrée décalé allant du potentiomètre variable 89 à la résistance d'entrée 91, et le signal de suppression venant du générateur 92 de signal d'attente et envoyé dans la résistance d'entrée 93.
Le but du signal décalé est de compenser de légères tensions continues apparaissant dans l'un ou l'autre des autres signaux d'entrée et qui sont à éviter. Le but du signal d'attente est de supprimer tous les signaux envoyés dans l'amplificateur totalisateur pour que la tension de commande de polarisation de grille qui est produite pour le générateur du faisceau d'électrons par le circuit de commande 32 dans l'alimentation électrique 6 à haute tension (voir la Figure 1) coupe le générateur du faisceau d'électrons, et pour qu'aucun courant ne passe dans ce dernier. Par exemple, lorsque le laser se trouve en état d'attente, il convient que tous les dispositifs soient actifs à l'exception du courant du faisceau d'électrons. Puis, lorsqu'on déclenche le laser, la tension de suppression est supprimée et l'intensité du courant du faisceau d'électrons s'élève jusqu'à la valeur demandée par le signal d'entrée commandé par l'opérateur. Il est évident que le signal décalé et le signal de suppression sont facultatifs pour le fonctionnement des lasers spécifiques incorporant la présente invention, et qu'ils pourraient être supprimés dans certains cas.
Une partie facultative du circuit de traitement 5 comporte l'interrupteur 95 qui permet la transmission du signal de rétroaction traité de l'amplificateur opérationnel 96 ou de l'amplificateur totalisateur 85 à l'amplificateur 86. L'interrupteur 95 a deux positions: la position «boucle fermée» désignée par CL et la position «boucle ouverte» désignée par OL. Dans la position «boucle fermée», le signal de rétroaction traité qui provient de l'amplificateur totalisateur 85 est envoyé dans l'amplificateur totalisateur 42, et ainsi l'ensemble du dispositif de rétroaction exerce son plein effet, comme décrit plus haut, pour stabiliser la commande du faisceau laser de sortie. Lorsque
8 .
l'interrupteur occupe la position «boucle ouverte», le dispositif de rétroaction, comprenant le sous-ensemble optique 4 et le circuit 5 de traitement de signal, est évité, et le signal provenant du détecteur de l'intensité du faisceau d'électrons (impédance 5 33a sur la Figure 1) est envoyé directement dans l'amplificateur totalisateur 42 par l'intermédiaire de l'amplificateur 86. Le but de l'amplificateur 96 est d'assurer une seconde inversion du signal de courant du faisceau d'électrons. Il est évident que la rétroaction à boucle ouverte ne tient pas compte de la puissance m du faisceau laser et vise à n'assurer la commande qu'en utilisant la rétroaction du générateur du faisceau d'électrons lui-même, sans tenir compte de la puissance de sortie réelle du dispositif. Par conséquent, la rétroaction à boucle ouverte est moins efficace que la rétroaction à boucle fermée et peut être prévue i? comme signal de commande de rétroaction d'appui en cas de défaillance du dispositif à boucle fermée.
L'amplificateur totalisateur 42 est un amplificateur opérationnel de modèle classique qui comprend un certain nombre d'impédances d'entrée déjà décrites, qui alimentent au moins un 2ii étage d'amplification 97, comme le montre la Figure 12. Le signal de sortie peut être utilisé pour commander directement la polarisation de la grille 15 du générateur du faisceau d'électrons, comme le montre la Figure 1. Pour les raisons déjà décrites, la sortie de l'amplificateur 42 n'est de préférence pas 25 reliée directement au circuit 32 de commande de polarisation de grille par des fils de cuivre durs. Il est préférable qu'elle soit isolée du circuit de commande de polarisation de grille en raison de la haute tension qui environne le circuit de commande de polarisation de grille. Par conséquent, et comme le montre la 30 Figure 1, le signal de sortie de l'amplificateur totalisateur 42 est d'abord envoyé dans le modulateur 43, dans lequel il module un signal de 10 kHz, et le signal modulé est amplifié par l'amplificateur 45 et appliqué aux bornes de l'enroulement primaire 37p du transformateur 37. L'enroulement secondaire 37s du trans-35 formateur 37 est relié directement au circuit 32 de commande de polarisation de grille et impose à la tension de grille un signal de polarisation qui est équivalent au signal de sortie venant de l'amplificateur totalisateur 42. De cette façon, le signal de différence entre le signal de rétroaction traité et le signal d'en-40 trée commandé par l'opérateur commande la densité de courant du faisceau d'électrons. Un zéro apparaît lorsque les deux signaux sont égaux, ce qui signifie que le faisceau laser de sortie est au niveau de puissance demandé par le signal d'entrée. Lorsque le signal de rétroaction traité dépasse le signal d'entrée, 45 le signal de différence réduit la densité du faisceau d'électrons qui, à son tour, réduit la puissance du faisceau laser de sortie. De même, lorsque le signal d'entrée dépasse le signal de rétroaction traité, la densité du faisceau d'électrons est augmentée, ce qui augmente la puissance du faisceau laser de sortie jusqu'à ce 50 qu'elle atteigne le niveau demandé par le signal d'entrée.
Considérons maintenant la Figure 12, qui représente un schéma électrique simplifié d'une autre forme de réalisation de la partie électrique du dispositif de rétroaction, comprenant le circuit 5 de traitement de signal et des parties du circuit 8 de 55 combinaison et de transmission du signal d'entrée de la Figure 1. Comme sur la Figure 9, ces circuits réagissent à trois signaux d'entrée; un premier signal venant du détecteur pyro-électrique 58 ; un second signal venant du générateur 7 du signal d'entrée commandé par l'opérateur, qui fixe la puissance de sortie du wi faisceau laser; et un troisième signal provenant du générateur du faisceau d'électrons, qui représente la densité du courant de ce faisceau et qui peut provenir de l'alimentation électrique 33 à 70 kV. La nature de ces signaux, ainsi que la façon dont ils sont combinés par le sous-ensemble électrique du dispositif de 65 rétroaction, sont expliquées ci-dessous.
Dans la mesure où le détecteur 58 a une grande impédance, et où une longueur considérable de câble peut être nécessaire pour amener le signal de sortie du détecteur aus autres compo
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616 280
sants du dispositif, le signal de sortie du détecteur 58 est envoyé dans un amplificateur 101 qui joue le rôle d'un tampon et qui possède une forte impédance d'entrée et une faible impédance de sortie. Le signal de sortie de l'amplificateur 101 est envoyé dans un circuit comparateur 102 et dans un circuit 103 d'échantillonnage et de maintien. Un autre signal 65 de déclenchement périodique, venant d'une source convenable quelconque (non représentée), est également envoyé dans le comparateur 102, de telle sorte que, lorsque le signal de sortie venant de l'amplificateur 101 a une valeur supérieure à une valeur qui peut être choisie au préalable et réglée, le circuit 103 d'échantillonnage et de maintien est mis en état de marche. Le signal de sortie du circuit 103 d'échantillonnage et de maintien est lissé par un circuit 104 de réduction à la moyenne dont la constante de temps est plus grande que celle du signal de déclenchement périodique, d'un petit facteur, par exemple 2.
Comme on l'a déjà signalé plus haut, la sortie du détecteur 58 est constituée par une série d'impulsions. Cependant, le signal de sortie du circuit 103 d'échantillonnage et de maintien est essentiellement une tension continue qui varie relativement rapidement, comprenant une série de longues impulsions avec une petite «plongée» à la fin de chaque impulsion, qui est réduite par le circuit 104 de réduction à la moyenne. Chacune de ces longues impulsions reflète la puissance du faisceau laser au moment de l'échantillonnage. En conséquence, le signal de sortie du circuit 103 d'échantillonnage et de maintien représente une enveloppe de tension presque directe dont le niveau suit, avec un retard de quelques millisecondes seulement, la puissance de sortie du laser.
Le signal de sortie du circuit 103 d'échantillonnage et de maintien est envoyé dans un amplificateur totalisateur 105, de même que le signal venant de l'impédance 33a de l'alimentation électrique et que le signal venant de la commande de l'opérateur. Le signal venant de l'impédance 33a est un signal transitoire, avec une constante de temps généralement inférieure à s 0,1 seconde, qui sert à assurer la stabilisation et à empêcher les régimes transitoires de puissance, comme ceux qui pourraient intervenir au moment de la mise en marche du laser.
On fait en sorte que le filtre qui est représenté par le circuit 104 de mise à la moyenne soit de préférence assez large pour m intégrer environ deux impulsions d'échantillonnage. Si l'on fait en sorte que la constante de temps du circuit de commande soit d'environ 0,05 seconde, le temps de réaction du laser à son alimentation électrique sera à peu près optimal et, dans de telles conditions, la puissance du laser pourra être réglée avec prédis sion par le circuit de commande de l'opérateur, et le laser pourra être allumé et éteint en moins de 0,1 seconde environ avec une puissance optique indépendante des dérives des conditions de fonctionnement du laser ou des variations du courant électrique fourni par le secteur. La précision de la commande est d'environ 2d ±3,0 pour cent. En outre, la puissance de sortie du faisceau laser reste constante même si la fréquence du secteur varie.
Le procédé de la présente invention est décrit ici dans son application à la commande de la sortie d'un laser à entretien du faisceau d'électrons, par un dispositif de rétroaction qui détecte 25 la puissance de sortie du faisceau laser. Les détails du laser à entretien du faisceau d'électrons qui est décrit ici, ainsi qu'un certain nombre de détails relatifs aux aspects optique et électronique du dispositif de rétroaction, ne sont donnés qu'à titre d'exemple de l'application la mieux connue de l'invention, et ne 30 sont pas destinés à en limiter le champ d'application.
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3 feuilles dessins
Claims (3)
1. Procédé pour commander un faisceau cohérent de rayonnement produit à partir d'un milieu gazeux dans une région de travail d'une enceinte, caractérisé en ce qu'il consiste à intercepter le faisceau cohérent de rayonnement à sa sortie de l'enceinte, à transformer le rayonnement intercepté en un signal de rétroaction électrique représentatif de la puissance du rayonnement intercepté, et à procéder à la commande voulue du faisceau de rayonnement cohérent en utilisant le signal de rétroaction électrique pour commander un faisceau d'électrons introduit dans la région de travail depuis l'extérieur de l'enceinte, le faisceau d'électrons produisant dans le milieu situé dans la région de travaille une densité prédéterminée et spatialement uniforme d'électrons secondaires, dont l'énergie moyenne est suffisamment augmentée par un champ électrique dans la région de travail pour stimuler l'émission du faisceau cohérent de rayonnement sans augmenter la densité prédéterminée d'électrons produite par le faisceau d'électrons.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise le signal de rétroaction électrique en combinaison avec un signal électrique d'entrée pour commander le faisceau d'électrons.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le faisceau d'électrons est commandé conformément à la différence entre le signal de rétroaction électrique et le signal électrique d'entrée.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le signal de rétroaction électrique est dérivé d'impulsions de rayonnement résultant de l'interception du faisceau cohérent de rayonnement à intervalles sensiblement réguliers.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la totalité du faisceau cohérent de rayonnement est interceptée à chaque fois.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé parle fait que le faisceau cohérent de rayonnement est intercepté en déplaçant à travers ce faisceau un miroir dont la surface est plus petite que la section droite du faisceau cohérent, toutes les parties de la section droite du faisceau cohérent étant interceptées successivement par le miroir pendant l'interception.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le rayonnement intercepté est réfléchi par le miroir sur un dispositif sensible au rayonnement qui transforme l'énergie du rayonnement en ledit signal de rétroaction électrique.
8. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le signal de rétroaction électrique qui est dérivé des impulsions de rayonnement se compose initialement d'impulsions électriques qui sont ensuite réduites à leur moyenne pour que le signal de rétroaction soit pratiquement constant à un niveau représentatif de l'intensité du faisceau cohérent de rayonnement.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'on réduit les impulsions électriques à leur moyenne en les redressant électriquement.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'une composante de courant continu est supprimée électriquement des impulsions électriques avant qu'elles soient redressées.
11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'interception du faisceau cohérent de rayonnement est effectuée à intervalles réguliers par au moins un réflecteur de faisceau dont la surface réflectrice est orientée obliquement par rapport à la direction du faisceau cohérent, la totalité du rayonnement réfléchi étant interceptée optiquement et une fraction spatialement uniforme du rayonnement réfléchi intercepté étant transmise optiquement pour focalisation optique sur une partie sensible au rayonnement d'un transducteur de signaux électriques qui transforme l'énergie du rayonnement en un premier signal électrique représentatif de la puissance du faisceau cohérent, le premier signal électrique et un signal différencié par rapport au temps, représentatif des variations de l'intensité du faisceau d'électrons, étant combinés à un signal d'entrée représentatif de la puissance voulue du faisceau cohérent de façon à 5 donner un second signal électrique, ce second signal étant ensuite combiné au signal d'entrée pour donner un signal de différence qui permet de régler la puissance du faisceau cohérent.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait m que la surface réflectrice du réflecteur de faisceau se déplace transversalement au faisceau cohérent de telle manière que, pendant l'interception, toutes les parties de la section droite du faisceau cohérent frappent la surface réflectrice.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait 15 qu'il est prévu plusieurs réflecteurs de faisceau qui sont espacés uniformément et entraînés dans l'espace de telle manière que leurs surfaces réflectrices respectives coupent successivement le faisceau cohérent et le réfléchissent à intervalles réguliers en rendant intermittent, auxdits intervalles réguliers, le rayonne-2» ment qui est focalisé sur le transducteur.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que les réflecteurs de faisceau sont disposés les uns par rapport aux autres à la manière des rayons d'une roue, et sont entraînés en rotation autour d'un axe par rapport auquel ils sont dirigés
25 radialement, si bien que la vitesse de rotation des réflecteurs et le nombre de réflecteurs déterminent le rythme d'intermittence du rayonnement qui est focalisé sur le transducteur.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que le premier signal électrique est produit sous la forme d'un
2
REVENDICATIONS
3« train d'impulsions dont la fréquence de répétition d'impulsions est déterminée par la vitesse de rotation des réflecteurs autour dudit axe.
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