FR2466118A1 - Gas laser waveguide structure - has chamber defined by spaced conductive blocks sandwiched between insulating blocks with surrounding metal tube - Google Patents

Gas laser waveguide structure - has chamber defined by spaced conductive blocks sandwiched between insulating blocks with surrounding metal tube Download PDF

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FR2466118A1 FR8020423A FR8020423A FR2466118A1 FR 2466118 A1 FR2466118 A1 FR 2466118A1 FR 8020423 A FR8020423 A FR 8020423A FR 8020423 A FR8020423 A FR 8020423A FR 2466118 A1 FR2466118 A1 FR 2466118A1
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Abstract

The laser waveguide structure has an elongate chamber which has a cross-section allowing propagation of laser light and in which an alternating electrical field is set up for stimulation of a gas laser within the chamber. The chamber is defined by a pair of spaced conductive blocks, sandwiched between a pair of insulating blocks (132,134). A resilient metal tube (150) surround the blocks (132,134) over the full length of the chamber and press them together. Pref. the interior of the tube (150) has two diametrically opposed ridges (154) extending radially inwards, each with a wider, lipped end face fitting over one of the respective insulating blocks (132,134).

Description

La présente invention concerne les lasers et plus précisément un laser à gaz comprenant un guide d'ondes. The present invention relates to lasers and more precisely to a gas laser comprising a waveguide.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4 159 251 décrit un laser à guide d'ondes excité par une décharge transversale à haute fréquence, entre 30 MHz et 3 GHz environ, un gaz actif étant placé dans une chambre allongée et une décharge étant établie dans le gaz par un champ électrique alternatif appliqué à la chambre en direction transversale à sa longueur. Les excellentes caractéristiques de ce laser à guide d'ondes excité transversalement à des hautes fréquence ainsi que sa faible dimension et sa faible complexité comparées à celles des lasers existants tels que décrits par exemple dans les brevets des Etats-Unis d'knerique nO 3 772 611 et 3 815 047, sont décrits en détail dans le brevet précité et on ne les redécrit pas. U.S. Patent No. 4,159,251 discloses a waveguide laser excited by high frequency transverse discharge between about 30 MHz and 3 GHz with an active gas in an elongated chamber and a discharge. being established in the gas by an alternating electric field applied to the chamber in a direction transverse to its length. The excellent characteristics of this waveguide laser excited transversely at high frequencies as well as its small size and low complexity compared to those of existing lasers as described for example in United States Patent 3,772 611 and 3,815,047, are described in detail in the aforementioned patent and are not rewritten.

L'invention concerne aussi un laser à guide d'ondes dont l'excitation est assurée à haute fréquence mais qui présente des perfectionnements importants par rapport au brevet précité. En conséquence, l'invention concerne des lasers à guide d'ondes à excitation transversale à haute fréquence, ayant les nombreux avantages décrits dans le brevet précité, mais ne présentant pas les difficultés et les restrictions de ces lasers si bien que le laser formé selon l'invention est bien plus efficace et souple d'utilisation. L'un des perfectionnements est l'utilisation d'une excitation longitudinale qui permet la sélection, sous forme de paramètres indépendants, de la dimension de la chambre du guide d'ondes et de la séparation des électrodes si bien que la haute fréquence peut être optimisée indépendamment de la dimension de la chambre. The invention also relates to a waveguide laser whose excitation is provided at high frequency but which presents significant improvements over the aforementioned patent. Accordingly, the invention relates to high frequency transverse excitation waveguide lasers, having the many advantages described in the aforementioned patent, but not having the difficulties and restrictions of these lasers so that the laser formed according to the invention is much more efficient and flexible to use. One of the improvements is the use of a longitudinal excitation which allows the selection, in the form of independent parameters, of the size of the waveguide chamber and the separation of the electrodes so that the high frequency can be optimized regardless of the size of the chamber.

Un autre perfectionnement selon l'invention, par rapport au laser connu a excitation à haute fréquence, porte sur un dispositif d'élimination d'un inconvénient sérieux et très restrictif du dispositif décrit dans le brevet précité, à savoir la formation de défauts d'uniformité ou de "points chauds" résultant apparemment des caractéristiques bistables de l'impédance de la décharge. De tels points chauds ont tendance à réduire le gain, le rendement et la puissance de sortie du laser. L'invention re médie à cet inconvénient du dispositif connu par utilisation d'une combinaison de perfectionnements de structure et de circuit, comprenant l'utilisation d'une charge capacitive montée en série qui améliore la structure du guide d'ondes.Un autre perfectionnement est constitué par un circuit original de pilotage utilisé pour la détection de l'apparition de points chauds de faible impédance et pour le réglage de la puissance d'entrée en conséquence afin que les caractéristiques d'impédance négative non uniforme par ailleurs soient rendues minimales. Another improvement according to the invention, with respect to the known high-frequency excitation laser, relates to a device for eliminating a serious and very restrictive disadvantage of the device described in the aforementioned patent, namely the formation of defects in uniformity or "hot spots" apparently resulting from the bistable characteristics of the impedance of the discharge. Such hot spots tend to reduce the gain, output, and output power of the laser. The invention re-mediates this disadvantage of the known device by using a combination of structural and circuit enhancements, including the use of a series-connected capacitive load that improves the waveguide structure. is constituted by an original control circuit used for detecting the occurrence of low impedance hot spots and for adjusting the input power accordingly so that the non-uniform negative impedance characteristics otherwise are made minimum.

Un autre perfectionnement porte sur l'utilisation d'une structure totalement homogène qui, tout en favorisant la résolution du problème des points chauds indiqué précédemment, permet la formation d'un laser à guide d'ondes qui est plus compact, plus stable en ce qui concerne la composition du gaz et plus fiable qu'un laser formé simplement suivant les enseignements du brevet précité, concernant un lazer à guide d'ondes à excitation transversale à haute fréquence. Another improvement relates to the use of a totally homogeneous structure which, while promoting the resolution of the hot spots problem indicated above, allows the formation of a waveguide laser which is more compact, more stable in this respect. which relates to the composition of the gas and more reliable than a laser formed simply according to the teachings of the aforementioned patent, relating to a high frequency transverse excitation waveguide lazer.

Ainsi, l'invention présente tous les avantages du dispositif connu, décrit dans le brevet précité, à savoir le laser à guide d'ondes à excitation transversale à haute fréquence, mais en outre, l'invention supprime les difficultés et les restrictions présentées par la technique d'excitation transversale à haute fréquence. L'avantage principal de l'excitation longitudinale à haute fréquence sur l'excitation transversale à haute fréquence est l'indépendance résultante de la sélection de la dimension de la partie active de la chambre du laser et de la distance séparant les électrodes dans le dispositif d'excitation. Thus, the invention has all the advantages of the known device, described in the aforementioned patent, namely the high frequency transverse excitation waveguide laser, but in addition, the invention eliminates the difficulties and restrictions presented by the high frequency transverse excitation technique. The main advantage of the high frequency longitudinal excitation on the high frequency transverse excitation is the resulting independence of the selection of the size of the active part of the laser chamber and the distance separating the electrodes in the device excitation.

L'avantage réside aussi dans la possibilité de l'optimisa- tion de la haute fréquence de pilotage indépendamment de la dimension de la chambre.The advantage also lies in the possibility of optimizing the high driving frequency irrespective of the size of the chamber.

Le brevet précité indique que des lasers efficaces à excitation à haute fréquence nécessitent une haute fré quence de pilotage suffisamment élevée pour que les électrons dérivent seulement d'une distance négligeable par rapport à l'espace séparant les électrodes pendant un demicycle du champ électrique alternatif. Dans le cas contraire, des régions à charge d'espace s'établissent au voisinage des électrodes et provoquent la formation d'un champ électrique plus élevé dans l'espace séparant les électrodes si bien que les températures électroniques sont accrues. The aforementioned patent indicates that high frequency excitation efficient lasers require a sufficiently high driving frequency that the electrons drift only a negligible distance from the gap separating the electrodes during a half cycle from the alternating electric field. In the opposite case, space-charge regions are established in the vicinity of the electrodes and cause the formation of a higher electric field in the space separating the electrodes so that the electronic temperatures are increased.

On sait que, en physique des lasers à gaz moléculaires, la température électronique optimale qui permet une augmentation au maximum du rendement d'une tête laser a tendance à être considérablement inférieure à la température électronique dans les décharges auto-entretenues. En outre, les températures électroniques élevées ont tendance à accroître les vitesses de dissociation de C02 si bien que la durée du tube est réduite. En conséquence, dans les décharges auto-entretenues, il est souhaitable que la température électronique soit minimale et en conséquence que l'intensité du champ électronique nécessaire à l'entretien de la décharge soit aussi minimale. Ainsi, pour les décharges à haute fréquence, il existe une haute fréquence minimale de pilotage qui rend maximal le rendement de la tête laser pour une distance donnée de séparation des électrodes.It is known that, in the physics of molecular gas lasers, the optimum electronic temperature that maximizes the efficiency of a laser head tends to be considerably less than the electronic temperature in self-sustaining discharges. In addition, the high electronic temperatures tend to increase the rates of CO 2 dissociation so that the duration of the tube is reduced. Accordingly, in self-sustaining landfills, it is desirable that the electronic temperature be minimal and therefore the intensity of the electronic field required for the maintenance of the landfill is also minimal. Thus, for high frequency discharges, there is a high minimum driving frequency which maximizes the efficiency of the laser head for a given electrode separation distance.

Dans un laser à guide d'ondes à excitation transversale à haute fréquence de type connu, la dimension de la chambre du laser et la distance séparant les électrodes sont intrinsèquement les mêmes. Ainsi, la dimension de la chambre impose la fréquence minimale de pilotage à haute fréquence et, lorsque cette haute fréquence de pilotage est accrue, le rendement de couplage entre la source d'énergie à haute fréquence et la décharge diminue et la formation de sources de pilotage à haute fréquence qui sont efficaces devient de plus en plus difficile. Ainsi, le rendement global du laser, correspondant à la décharge transversale à haute fréquence du dispositif connu, est réduit à cause du faible rendement de la tête laser lorsque la haute fréquence de pilotage est inférieure au minimum souhaitable.D'autre part, si la haute fréquence de pilotage est trop élevée, le rendement diminue du fait de la réduction du rendement de couplage entre la source à haute fréquence et la décharge. In a high frequency transverse excitation waveguide laser of known type, the size of the laser chamber and the distance separating the electrodes are intrinsically the same. Thus, the dimension of the chamber imposes the minimum frequency of high frequency control and, when this high frequency of control is increased, the coupling efficiency between the high frequency energy source and the discharge decreases and the formation of sources of High frequency driving which are effective becomes more and more difficult. Thus, the overall efficiency of the laser, corresponding to the high frequency transverse discharge of the known device, is reduced because of the low efficiency of the laser head when the high driving frequency is lower than the desirable minimum. On the other hand, if the high frequency of control is too high, the efficiency decreases due to the reduction of the coupling efficiency between the high frequency source and the discharge.

Les restrictions précitées de la haute fréquence vers le haut et vers le bas posent des problèmes particulièrement délicats lorsque la dimension de la chambre est faible et en conséquence nécessite une fréquence relativement élevée de pilotage, pour le rendement de la tête du laser. Malheureusement, une telle haute fréquence de pilotage donne un couplage réduit et un mauvais rendement d'alimentation, cette situation étant paradoxale.Cependant, lors de l'utilisation de l'excitation longitudinale à haute fréquence selon l'invention et grâce à l'indepen- dance résultante de la distance de séparation des élec- trodeset de la dimension de la chambre, on peut choisir la haute fréquence de pilotage donnant un couplage élevé et un rendement élevé de l'alimentation, et choisir alors séparément la distance de séparation des électrodes afin que le rendement de la tête laser soit optimal. The aforementioned restrictions of the high frequency up and down pose particularly delicate problems when the chamber size is small and therefore requires a relatively high frequency of control, for the performance of the laser head. Unfortunately, such a high driving frequency gives a reduced coupling and a poor feed efficiency, this situation being paradoxical.However, when using the longitudinal excitation at high frequency according to the invention and thanks to the indepen As a result of the separation distance of the electrodes and the size of the chamber, it is possible to choose the high driving frequency giving a high coupling and a high efficiency of the supply, and then to choose separately the separation distance of the electrodes. so that the efficiency of the laser head is optimal.

Ainsi, l'invention par mise en oeuvre d'une excitation longitudinale à haute fréquence, permet la formation d'un laser à guide d'ondes ayant un rendement global supérieur à celui des lasers à guide d'ondes décrits dans le brevet précité, c'est-à-dire ayant une excitation transversale à haute fréquence. En outre, le degré d'augmentation du rendement du au remplacement de l'excitation transversale par l'excitation longitudinale, augmente et donne ainsi un avantage supplémentaire important pour les hautes fréquences plus élevées de pilotage qui seraient nécessaires pour des dispositifs à chambre plus petite utilisant la configuration à excitation transversale. Thus, the invention by implementing a high frequency longitudinal excitation, allows the formation of a waveguide laser having a higher overall efficiency than the waveguide lasers described in the aforementioned patent, i.e. having a high frequency transverse excitation. In addition, the degree of increase in the efficiency of the replacement of the transverse excitation by the longitudinal excitation increases and thus gives an important additional advantage for the higher high frequency driving that would be required for smaller chamber devices. using the transverse excitation configuration.

L'invention qui met en oeuvre une excitation longitudinale, présente une amélioration supplémentaire du rendement global par rapport à l'excitation transversale, soit parce que la séparation des électrodes est accrue soit parce que la surface des électrodes est réduite par rapport aux électrodes correspondantes d'un dispositif à excitation transversale. En conséquence, la capacité de la structure résultante à guide d'ondes est réduite si bien que le facteur de surtension sous charge de la structure à guide d'ondes est réduit. Le facteur de surtension sous charge est le facteur de surtension observé pendant 13allumage de la décharge.Un facteur de surtension sous charge de plus faible valeur correspond à un meilleur rendement de couplage étant donné la plus faible puissance circulante et la réduction de dissipation d'énergie dans d'autres éléments de circuit. En outre, la possibilité de l'utilisation d'une plus faible haute fréquence de pilotage pour une dimension donnée de chambre réduit encore la puissance circulante tout en conservant le même rendement à la tête laser si bien que le rendement global est encore accru. The invention, which uses longitudinal excitation, has a further improvement in the overall efficiency with respect to the transverse excitation, either because the separation of the electrodes is increased or because the surface of the electrodes is reduced with respect to the corresponding electrodes of the electrodes. a device with transverse excitation. As a result, the capacity of the resulting waveguide structure is reduced so that the load overvoltage factor of the waveguide structure is reduced. The overvoltage factor under load is the overvoltage factor observed during the discharge ignition. A lower value of the load overvoltage corresponds to a better coupling efficiency given the lower circulating power and the reduction in energy dissipation. in other circuit elements. In addition, the possibility of using a lower high control frequency for a given chamber size further reduces the circulating power while maintaining the same efficiency at the laser head so that overall efficiency is further increased.

Un exemple de construction de laser connu à guide d'ondes à décharge tranversale comporte une section de décharge transversale couplée à un circuit formant une ligne de transmission à 50 ohms et adaptée par un circuit résonant en w. La structure décrite met en oeuvre un transformateur avec une self en shunt placée au bord de la section de décharge afin que la réactance soit éliminée. La section de décharge est utilisée en mode équilibré. La structure comprenant le transformateur et la self en shunt permet un couplage serré du pilotage à haute fréquence avec la décharge et un réglage indépendant de l'adaptation d'im pédance par rapport à l'accord de la réactance.La structure équilibrée décrite selon l'invention réduit au minimum la charge conservée, la tension à chaque électrode, par rapport à la masse, étant égale à la moitié de la tension totale dans les espaces séparant les électrodes. An example of a known transverse discharge waveguide laser construction includes a cross-sectional discharge section coupled to a 50 ohm transmission line circuit and adapted by a w-resonant circuit. The described structure uses a transformer with a shunt choke placed at the edge of the discharge section so that the reactance is eliminated. The discharge section is used in balanced mode. The structure comprising the transformer and the shunt choke allows tight coupling of the high frequency driving with the discharge and independent adjustment of the imbalance adaptation with respect to the tuning of the reactance. The balanced structure described in FIG. The invention minimizes the retained charge, the voltage at each electrode, relative to ground, being equal to half of the total voltage in the spaces separating the electrodes.

Dans différents modes de réalisation de l'invention, certains perfectionnements suppriment ou réduisent l'acuité des problèmes posés par les points chauds qui pourraient réduire par ailleurs les caractéristiques du laser à guide d'ondes. Dans un mode de réalisation, la construction de base du laser est modifiée. Les lasers à haute fréquence à excitation transversale sont par exemple fabriqués à l'aide d'une construction classique en sandwich comprenant deux bandes métalliques disposées entre deux blocs d'alumine. La chambre du guide d'ondes formée entre les bandes métalliques et les blocs d'alumine, est par exemple sous forme d'un carré ayant un côté de 1 à 3 mm. In various embodiments of the invention, certain improvements eliminate or reduce the sharpness of the problems posed by the hot spots which could otherwise reduce the characteristics of the waveguide laser. In one embodiment, the basic construction of the laser is modified. High frequency lasers with transverse excitation are for example manufactured using a conventional sandwich construction comprising two metal strips arranged between two blocks of alumina. The waveguide chamber formed between the metal strips and the alumina blocks, for example, is in the form of a square having a side of 1 to 3 mm.

Cette construction permet l'obtention de 0,2 W/cm de longueur du laser dans un laser à guide d'ondes à C02. This construction makes it possible to obtain 0.2 W / cm of laser length in a CO2 waveguide laser.

Lorsque la longueur du laser augmente, il arrive à un moment où, pour une longueur d'environ 20 cm et une puissance d'environ 2 à 4 W/cm, la décharge du laser devient bistable et des points chauds localisés de décharge se développent. On a déterminé expérimentalement que les électrodes d'aluminium nu constituaient la matière la plus avantageuse car elle résiste mieux à la pulvérisation que la plupart des matières courantes. Cependant, un problème posé par l'utilisation d'une électrode d'aluminium nu est que ltoxydation de l'électrode est très importante et affecte la stabilité à long terme de la composition du gaz. As the length of the laser increases, it arrives at a time when, for a length of about 20 cm and a power of about 2 to 4 W / cm, the discharge of the laser becomes bistable and localized discharge hot spots develop. . It has been experimentally determined that bare aluminum electrodes are the most desirable material as it is more resistant to spraying than most common materials. However, a problem with the use of a bare aluminum electrode is that the oxidation of the electrode is very important and affects the long-term stability of the gas composition.

Le problème de l'oxydation est résolu selon l'invention par un revêtement dur d'anodisation des électrodes d'aluminium.The problem of oxidation is solved according to the invention by a hard anodizing coating of the aluminum electrodes.

Ce revêtement d'oxyde d'aluminium forme une couche isolante sur le métal. Le problème posé par les points chauds, comme indiqué précédemment et notamment pour une puissance élevée, est résolu par mise en oeuvre d'un dispositif formant une charge diélectrique pour le laser à guide d'ondes excité longitudinalement à haute fréquence. Cette structure comprend deux bandes d'alumine de 1 à 3 mm d'épaisseur disposées entre deux feuilles d'alumine. La chambre de guide d'ondes formée ainsi a une section rectangulaire de 1 à 3 mm et les feuilles d'alumine ont une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm Les électrodes sont placées à I'exté- rieur de la structure du guide d'ondes à décharge.La structure résultante est formée totalement d'oxyde d'aluminium homogène et peut donc être fermée de manière étanche par de la soudure, le gaz étant confiné dans la chambre seulement. Cette caractéristique diffère de celle des lasers à excitation transversale, placés en totalité dans une cavite remplie de gaz. Un autre avantage de l'invention est que les électrodes sont totalement isolées par rapport à la décharge et en conséquence elles ne se dégradent pas aussi vite que les électrodes des dispositifs connus, au cours du temps.This aluminum oxide coating forms an insulating layer on the metal. The problem posed by the hot spots, as indicated above and in particular for a high power, is solved by implementing a dielectric charge forming device for the longitudinally excited high frequency waveguide laser. This structure comprises two strips of alumina 1 to 3 mm thick arranged between two sheets of alumina. The waveguide chamber thus formed has a rectangular section of 1 to 3 mm and the alumina sheets have a thickness of between 0.5 and 2 mm. The electrodes are placed outside the guide structure. The resulting structure is formed entirely of homogeneous aluminum oxide and can therefore be sealed by solder, the gas being confined in the chamber only. This characteristic differs from that of transversely excited lasers, placed entirely in a cavity filled with gas. Another advantage of the invention is that the electrodes are totally insulated from the discharge and consequently they do not degrade as fast as the electrodes of the known devices over time.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la tendance des lasers connus à former des points chauds localisés est encore réduite par un circuit original de pilotage. Lorsqu'une section de laser à décharge excitée dans un guide d'ondes est convenablement excitée, l'impédance caractéristique est positive et la décharge est uniforme sur toute la longueur du dispositif. Dans ce mode, lorsque la réactance a été eliminée, l'impédance de la décharge apparait sous forme résistive et elle est adaptée à 50 ohms par un transformateur à ferrite à couplage serre. In another embodiment of the invention, the tendency of known lasers to form localized hot spots is further reduced by an original control circuit. When a discharge laser section excited in a waveguide is properly excited, the characteristic impedance is positive and the discharge is uniform over the entire length of the device. In this mode, when the reactance has been eliminated, the impedance of the discharge appears in resistive form and is adapted to 50 ohms by a greenhouse-coupled ferrite transformer.

Lorsque la décharge forme des points chauds, les mesures ont montré que la tension totale et 1' impédance de décharge diminuaient d'environ 20 à 40 %. Dans un mode de réalisation de l'invention, un circuit de pilotage est destiné à réduire instantanément la puissance d'entrée lorsqu'une réduction de l'impédance est détectée. En conséquence, la section de décharge ne peut pas fonctionner en mode instable ou en présence de points chauds et le résultat est une excitation continue convenable de la décharge.When the discharge forms hot spots, the measurements showed that the total voltage and the discharge impedance decreased by about 20 to 40%. In one embodiment of the invention, a driver circuit is provided to instantly reduce the input power when a reduction in impedance is detected. As a result, the discharge section can not operate in unstable mode or in the presence of hot spots and the result is a proper continuous excitation of the discharge.

Dans un mode de réalisation, un tel circuit de pilotage comprend une ligne de transmission du type quart d'onde d'impédance supérieure à celle de l'impédance adaptée à la tête laser de 50 ohms. Par exemple, une section quart d'onde d'un câble de 75 ohms peut être choisie comme circuit convenable de pilotage étant donné qu'une section quart d'onde a pour caractéristique de transformer les changements d'impédance autour de sa valeur caractéristique. In one embodiment, such a control circuit comprises a transmission line of the quarter-wave impedance type greater than that of the impedance adapted to the 50-ohm laser head. For example, a quarter-wave section of a 75 ohm cable may be chosen as a suitable driver circuit since a quarter-wave section has the characteristic of transforming the impedance changes around its characteristic value.

Lorsqu'une charge de 75 ohms est appliquée à cette section, une impédance réelle de 75 ohms est vue à l'entrée du câble. Lorsqu'une charge de 50 ohms est appliquée à une première extrémité, une impédance réelle de 112,5 ohms existe à l'autre extrémité. Au contraire, si la charge tombe à 25 ohms, comme dans le cas d'un point chaud par exemple, l'impédance d'entrée s'élève à 225 ohms. Lorsqu'une telle section quart d'onde est utilisée entre une tête laser de 50 ohms et une source adaptée à 50 ohms afin que sa puissance soit maximale, la puissance délivrée diminue presque instantanément et provoque l'extinction du mode de fonctionnement en présence de points chauds.When a load of 75 ohms is applied to this section, a real impedance of 75 ohms is seen at the input of the cable. When a 50 ohm load is applied at one end, a real impedance of 112.5 ohms exists at the other end. On the contrary, if the load drops to 25 ohms, as in the case of a hot spot, for example, the input impedance is 225 ohms. When such a quarter-wave section is used between a 50-ohm laser head and a source adapted to 50 ohms so that its power is maximum, the power delivered decreases almost instantaneously and causes the extinction of the operating mode in the presence of hot spots.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la structure de la tête laser est telle que la chambre dans laquelle a lieu l'effet laser est formée par des électrodes d'aluminium placées en regard, disposées entre deux blocs d'alumine. Cet ensemble est-maintenu aligné et comprimé par un tube élastique qui Joue le rôle d'un boîtier à ressort qui peut être mis sous vide et d'un radiateur qui assure le positionnement du guide d'ondes et des éléments optiques avec un alignement convenable. In another embodiment of the invention, the structure of the laser head is such that the chamber in which the laser effect takes place is formed by aluminum electrodes placed opposite, arranged between two blocks of alumina. This assembly is maintained aligned and compressed by an elastic tube which acts as a spring-loaded casing which can be evacuated and a radiator which positions the waveguide and optics with proper alignment. .

Ainsi, l'invention concerne un laser à guide d'ondes excité à haute fréquence qui réduit notablement ou supprime totalement certains inconvénients des lasers à guide d'ondes excités à haute fréquence connus, avec cependant les nombreux avantages de ces lasers, par rapport à des lasers à guide d'ondes d'excitation plus classique. Thus, the invention relates to a high frequency excited waveguide laser which substantially reduces or eliminates some of the disadvantages of known high frequency waveguide lasers, yet with the many advantages of these lasers over more conventional excitation waveguide lasers.

L'invention concerne aussi un laser à guide d'ondes fonctionnant par excitation longitudinale à haute fréquence permettant la sélection de la dimension de la chambre du guide d'ondes indépendamment de la sélection de la haute fréquence du signal d'excitation si bien que les paramètres peuvent être choisis afin que le rendement du laser soit accru. The invention also relates to a waveguide laser operating by high frequency longitudinal excitation for selecting the size of the waveguide chamber independently of the selection of the high frequency of the excitation signal so that the Parameters can be chosen so that the efficiency of the laser is increased.

Elle concerne aussi un laser à guide d'ondes fonctionnant par excitation à haute fréquence et dans lequel une technique de charge permet la réduction importante ou l'élimination pratique des problèmes posés par les points chauds dus à une décharge instable provoquée par un fonctionnement dans des régions d'impédance bistable. It also relates to a high frequency excitation waveguide laser in which a charging technique enables the significant reduction or elimination of problems caused by hot spots due to an unstable discharge caused by operation in high frequency conditions. bistable impedance regions.

Elle concerne aussi une structure de laser à guide d'ondes excité à haute fréquence qui a une longue durée, une faible dimension, une grande fiabilité et un fonctionnement efficace, par rapport aux propriétés correspondantes des lasers à guide d'ondes à excitation à haute fréquence de type connu. It also relates to a high frequency excited waveguide laser structure which has a long life, small size, high reliability and efficient operation, relative to the corresponding properties of high excitation waveguide lasers. frequency of known type.

Elle concerne aussi un circuit de pilotage destine à assurer l'adaptation d'une source à haute fréquence à une tête laser afin que la puissance d'entrée à haute fréquence soit réduite automatiquement après détection de l'apparition d'une basse impédance due à l'instabilité lors du fonctionnement en présence de points chauds, qui pourrait se produire pour des puissances constantes plus élevees. It also relates to a control circuit intended to ensure the adaptation of a high frequency source to a laser head so that the high frequency input power is automatically reduced after detection of the occurrence of a low impedance due to instability when operating in the presence of hot spots, which could occur for higher constant powers.

L'invention concerne aussi un boîtier pour ensemble de guidage d'ondes qui permet la production peu coûteuse et en grande série de laser à guide d'ondes et qui permet l'alignement et la compression de l'ensemble de guidage d'ondes par un tube élastique qui joue le rôle d'un boîtier à ressort qui peut être mis sous vide et d'un radiateur, assurant le positionnement du guide d'ondes et des éléments optiques, avec un alignement convenable. The invention also relates to a waveguide assembly package which enables inexpensive, mass-produced waveguide laser production and allows alignment and compression of the waveguide assembly by an elastic tube which acts as a vacuum-springable housing and a radiator, providing positioning of the waveguide and optical elements, with proper alignment.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 est une coupe en partie sous forme schématique d'un laser à gaz à guide d'ondes à décharge transversale de type connu, la flèche double indiquant la direction du champ électrique dans la chambre du guide d'ondes
la figure 2 est une perspective d'un mode de réalisation d'arrangement d'excitation à décharge longitudinale destiné à des lasers à gaz à guide d'ondes
la figure 3 est une coupe en plan de la configuration des électrodes du laser à gaz à guide d'ondes, par le plan repéré par la ligne 3-3 sur la figure 2
la figure 4 est une élévation d'un mode de réalisation homogène de structure à décharge longitudinale selon l'invention ;;
la figure 5 est un graphique représentant l'impé- dance caractéristique bistable qui pose certains problèmes dans les lasers à gaz à guide d'ondes à excitation transversale et longitudinale mais qui sont résolus ou réduits en grande partie par mise en oeuvre de l'invention, les ordonnées représentant la tension efficace et les abscisses la puissance d'entrée par unité de longueur, la courbe su périeure correspondant à un mode stable et la courbe inférieure à un mode de fonctionnement en présence de points chauds
la figure 6 est une vue de bout d'un laser à gaz à guide d'ondes à décharge transversale dans lequel une charge capacitive selon l'invention est utilisée pour la résolution du problème posé par l'impédance bistable
la figure 7 est un schéma du circuit équivalent du dispositif de la figure 6 ;;
la figure 8 est une vue de bout d'un laser à gaz à guide d'ondes à excitation par une décharge longitudinale, ayant aussi une charge capacitive
la figure 9 est une coupe d'un laser à gaz à guide d'ondes longitudinal mettant en oeuvre une charge capacitive, mais en élévation latérale représentant mieux la structure
la figure 10 est un schéma du circuit équivalent au laser à guide d'ondes à gaz à excitation longitudinale et à charge capacitive des figures 8 et 9
la figure il est un schéma d'un circuit utilisé pour la description du circuit de pilotage selon un mode de réalisation de l'invention
la figure 12 est un graphique représentant, en ordonnées, la variation de la-puissance d'excitation en fonction du temps porté en abscisses, dans un mode de réalisation de l'invention, permettant une réduction supplémentaire de la probabilité des effets nuisibles de l'impé- dance caractéristique bistable représentée sur la figure 5 ;
la figure 13 est une perspective d'un mode de réalisation avantageux de laser à gaz à guide d'ondes à excitation longitudinale selon l'invention
les figures 14 et 15 sont respectivement une perspective partielle et une vue de bout de deux autres modes de réalisation de configuration de tête laser comprenant le guide d'ondes de la figure 13
la figure 16 est un schéma électrique représentant la connexion du guide d'ondes de la figure 13 à un circuit convenable de pilotage et à une source de haute fréquence en vue de l'excitation du laser ; et
les figures 17, 18 et 19 représentent un autre mode de réalisation de configuration de tête laser comprenant un tube métallique élastique destiné à maintenir le laser à guide d'ondes sous forme comprimée et alignée par rapport à son récipient.
Other features and advantages of the invention will become more apparent from the description which follows, given with reference to the accompanying drawings in which:
FIG. 1 is a partly diagrammatic sectional view of a known type of transverse-discharge waveguide gas laser, the double arrow indicating the direction of the electric field in the waveguide chamber;
FIG. 2 is a perspective of a longitudinal discharge excitation arrangement embodiment for waveguide gas lasers
FIG. 3 is a plan section of the configuration of the electrodes of the waveguide gas laser, in the plane indicated by the line 3-3 in FIG. 2.
FIG. 4 is an elevation of a homogeneous embodiment of a longitudinal discharge structure according to the invention;
FIG. 5 is a graph showing the characteristic bistable impedance which poses certain problems in transverse and longitudinal excitation waveguide gas lasers but which are solved or reduced in large part by the practice of the invention. , the ordinates representing the effective voltage and the abscissa the input power per unit length, the upper curve corresponding to a stable mode and the lower curve to a mode of operation in the presence of hot spots
FIG. 6 is an end view of a transverse discharge waveguide gas laser in which a capacitive load according to the invention is used for solving the problem posed by the bistable impedance.
Fig. 7 is a diagram of the equivalent circuit of the device of Fig. 6;
FIG. 8 is an end view of a longitudinal discharge excited waveguide gas laser having a capacitive load as well.
FIG. 9 is a sectional view of a longitudinal waveguide gas laser implementing a capacitive load, but in lateral elevation better representing the structure
FIG. 10 is a circuit diagram of the longitudinal excitation and capacitive load gas waveguide laser circuit of FIGS. 8 and 9;
FIG. 11 is a diagram of a circuit used for the description of the control circuit according to one embodiment of the invention.
FIG. 12 is a graph showing, on the ordinate, the variation of the excitation power as a function of time as abscissa, in one embodiment of the invention, allowing a further reduction in the probability of the harmful effects of the Bistable characteristic impediment shown in Figure 5;
FIG. 13 is a perspective of an advantageous embodiment of longitudinal excitation waveguide gas laser according to the invention.
Figs. 14 and 15 are respectively a partial perspective and an end view of two other laser head configuration embodiments including the waveguide of Fig. 13
Fig. 16 is an electrical diagram showing the connection of the waveguide of Fig. 13 to a suitable driver circuit and a high frequency source for excitation of the laser; and
Figs. 17, 18 and 19 show another embodiment of laser head configuration comprising a resilient metal tube for holding the waveguide laser in compressed form and aligned with respect to its container.

Dans la description détaillée de divers modes de réalisation de l'invention, il apparaît que celle-ci concerne des perfectionnements des lasers à gaz à guide d'ondes, par mise en oeuvre d'une nouvelle forme d'excitation à haute fréquence appelée excitation longitudinale. Un certain nombre de perfectionnements supplémentaires, concernant aussi bien les lasers à gaz à excitation transversale que longitudinale, sont aussi décrits. Ces perfectionnements supplémentaires sont destinés à améliorer encore les performances et à supprimer les problèmes posés par l'impé- dance caractéristique bistable, communs aux lasers ayant les deux formes d'excitation, comme décrit plus en détail dans la suite. In the detailed description of various embodiments of the invention, it appears that this relates to improvements in waveguide gas lasers, by implementing a new form of high frequency excitation called excitation. longitudinal. A number of additional improvements, both for transverse and longitudinal excitation gas lasers, are also described. These additional improvements are intended to further improve the performance and to eliminate the problems posed by the characteristic bistable impedance, common to lasers having both forms of excitation, as described in more detail below.

Pour une meilleure compréhension de la technologie des lasers à gaz à guide d'ondes, il est préférable de considérer rapidement la technique antérieure représentée par le laser à guide d'ondes à décharge transversale décrit dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique. En particulier, la figure 1 représente la configuration de base d'un laser à gaz à guide d'ondes à décharge transversale correspondant au brevet précité, dans lequel le laser 10 à guide d'ondes comporte deux électrodes conductrices allongées 12 et 14 placées en regard, entre deux organes diélectriques allongés 16 et 18 placés en regard, afin qu'une chambre allongée 20 soit délimitee, pour la création d'une décharge d'excitation de l'effet laser. La chambre 20, par exemple, peut avoir une longueur d'environ 20 cm et une section carrée, avec des côtés de 2 mm.Les électrodes 12 et 14 sont formées d'un métal tel que l'aluminium alors que les organes diélectriques 16 et 18 peuvent être formés d'une matière telle que l'oxyde de béryllium, l'alumine ou le verre. La structure du guide d'ondes peut reposer sur un bloc 22 formé d'une matière ayant une conductibilité thermique élevée, par exemple le cuivre, afin que la chaleur soit évacuée du guide d'ondes pendant le fonctionnement. La chambre 20 de décharge est remplie d'un gaz actif voulu à effet laser tel qu'un mélange gazeux classique pour laser à CO2. For a better understanding of the waveguide gas laser technology, it is preferable to quickly consider the prior art represented by the transverse discharge waveguide laser described in the aforementioned US patent. . In particular, FIG. 1 shows the basic configuration of a transverse discharge waveguide gas laser corresponding to the aforementioned patent, in which the waveguide laser 10 comprises two elongated conductive electrodes 12 and 14 placed in position. look, between two elongated dielectric members 16 and 18 placed opposite, so that an elongate chamber 20 is delimited, for the creation of a laser excitation excitation discharge. The chamber 20, for example, may have a length of about 20 cm and a square section, with sides of 2 mm. The electrodes 12 and 14 are formed of a metal such as aluminum while the dielectric members 16 and 18 may be formed of a material such as beryllium oxide, alumina or glass. The structure of the waveguide may be based on a block 22 formed of a material having a high thermal conductivity, for example copper, so that the heat is removed from the waveguide during operation. The discharge chamber 20 is filled with a desired laser active gas such as a conventional gas mixture for a CO2 laser.

Une source d'énergie à haute fréquence Vs est couplée entre les électrodes 12 et 14 et assure l'excitation qui convient à l'établissement d'une décharge électrique dans le gaz actif, d'une manière qui suffit à l'inversion de la population des niveaux d'énergie de la transition laser voulue. Un circuit de couplage en ir comprenant des condensateurs réglables C v et une self L, forme un circuit d'adaptation d'impédance destiné à annuler l'impédance réactive de la structure délimitant la chambre de décharge et à adapter la valeur réelle de l'impédance d'entrée qui est par exemple d'environ 50 ohms. A high frequency energy source Vs is coupled between the electrodes 12 and 14 and provides the excitation suitable for establishing an electric discharge in the active gas, in a manner sufficient to invert the population of the energy levels of the desired laser transition. An ir coupling circuit comprising adjustable capacitors C v and a choke L forms an impedance matching circuit for canceling the reactive impedance of the structure defining the discharge chamber and for adapting the actual value of the input impedance which is for example about 50 ohms.

Une différence importante entre un mode de réalisation de l'invention et le dispositif connu représenté sur la figure 1 est que le champ électrique créé dans la chambre 20 pour la décharge est vertical entre les électrodes 12 et 14 si bien qu'il est transversal à l'axe longitudinal de la chambre 20. Il apparat clairement que la distance de séparation des électrodes est égale à la dimension verticale de la chambre. Ainsi, la dimension de la chambre du guide d'ondes fixe la haute fréquence minimale de pilotage, si bien que les restrictions précitées au rendement global du laser apparaissent. An important difference between an embodiment of the invention and the known device shown in FIG. 1 is that the electric field created in the discharge chamber 20 is vertical between the electrodes 12 and 14 so that it is transverse to the longitudinal axis of the chamber 20. It is clear that the separation distance of the electrodes is equal to the vertical dimension of the chamber. Thus, the size of the waveguide chamber sets the high minimum driving frequency, so that the aforementioned restrictions to the overall efficiency of the laser appear.

L'invention concerne un dispositif permettant l'application de l'excitation par un champ électrique, parallèlement à l'axe longitudinal de la chambre du guide d'ondes. Un mode de réalisation d'excitation longitudinale est représenté sur les figures 2 et 3, et la figure 4 représente un mode de réalisation avantageux de structure longitudinale. The invention relates to a device for applying the excitation by an electric field, parallel to the longitudinal axis of the waveguide chamber. An embodiment of longitudinal excitation is shown in Figures 2 and 3, and Figure 4 shows an advantageous embodiment of longitudinal structure.

Comme indiqué sur la figure 2, la configuration du laser selon l'invention est telle que deux blocs 30 et 32 de céramique sont sensiblement parallèles l'un à l'autre et sont sépares l'un de l'autre par deux blocs diélectriques 34 et 36 qui sont eux-mêmes séparés l'un de l'autre afin qu'ils délimitent une chambre 38 de guide d'ondes qui forme la région de décharge du laser à guide d'ondes. As shown in FIG. 2, the configuration of the laser according to the invention is such that two ceramic blocks 30 and 32 are substantially parallel to one another and are separated from one another by two dielectric blocks 34 and 36 which are themselves separated from each other so that they delimit a waveguide chamber 38 which forms the discharge region of the waveguide laser.

Les électrodes du laser à guide d'ondes, dans le mode de réalisation de la figure 2, sont formées sur les surfaces internes respectives des blocs céramiques 30 et 32, c'est-à-dire les surfaces qui sont contiguës aux blocs diélectriques 34 et 36 qui délimitent la chambre 38. La configuration des électrodes est mieux représentée sur la figure 3 qui montre la face interne du bloc céramique 32. The electrodes of the waveguide laser, in the embodiment of FIG. 2, are formed on the respective inner surfaces of the ceramic blocks 30 and 32, i.e. the surfaces which are contiguous with the dielectric blocks 34 and 36 which delimit the chamber 38. The configuration of the electrodes is better represented in FIG. 3 which shows the internal face of the ceramic block 32.

Comme indiqué sur la figure 3, il y a une électrode 40 d'une première polarité et une électrode 42 d'une seconde polarité. Les électrodes 40 et 42 sont placées le long des bords d'un bloc céramique 32, en direction sensiblement parallèle à la chambre 38. Chaque électrode a une série de parties sensiblement perpendiculaires 41 et 43 respectivement disposées transversalement à la chambre 38 et se recouvrant.As shown in FIG. 3, there is an electrode 40 of a first polarity and an electrode 42 of a second polarity. The electrodes 40 and 42 are placed along the edges of a ceramic block 32, in a direction substantially parallel to the chamber 38. Each electrode has a series of substantially perpendicular portions 41 and 43 respectively disposed transversely to the chamber 38 and overlapping.

Il faut noter que deux autres électrodes de même configuration sont formées sur la surface internecorres- pondante du bloc céramique supérieur 30. Les électrodes 40 et 42 ont chacune un cordon 39 de soudure qui permet une interconnexion électrique comme décrit dans la suite du présent mémoire. Plus précisément, l'électrode 40 est reliée électriquement à l'électrode correspondante qui se trouve juste au-dessus et parallèlement à elle le long de la surface du bloc céramique supérieur 30. De manière analogue, l'électrode 42 est reliée électriquement à l'électrode correspondante qui se trouve juste au-dessus et parallèlement à elle, aussi sur le bloc céramique supérieur 30.Les électrodes 40 et 42 et les électrodes correspondantes du bloc céramique supérieur 30 auxquelles elles sont reliées sont couplées électriquement aux connexions de phases opposées d'une source de haute tension telle que V
s représenté schématiquement sur la figure 1, par l'inter médiaire d'un circuit convenable de pilotage décrit dans la suite du présent mémoire. Etant donné cette connexion électrique et la configuration géométrique des électrodes selon l'invention, un champ électrique à haute fréquence est induit en direction parallèle à l'axe longitudinal de la chambre 38, les parois internes étant placées par rapport aux électrodes comme représenté par les traits interrompus sur la figure 3, la flèche double de celle-ci représentant la direction du champ électrique dans la chambre du guide d'ondes.
It should be noted that two other electrodes of the same configuration are formed on the internecorresponding surface of the upper ceramic block 30. The electrodes 40 and 42 each have a weld bead 39 which allows electrical interconnection as will be described hereinafter. More specifically, the electrode 40 is electrically connected to the corresponding electrode which is just above and parallel to it along the surface of the upper ceramic block 30. Similarly, the electrode 42 is electrically connected to the corresponding electrode which is just above and parallel to it, also on the upper ceramic block 30. The electrodes 40 and 42 and the corresponding electrodes of the upper ceramic block 30 to which they are connected are electrically coupled to the opposite phase connections d a high voltage source such as V
s shown diagrammatically in FIG. 1, through a suitable control circuit described hereinafter. Given this electrical connection and the geometric configuration of the electrodes according to the invention, a high frequency electric field is induced in a direction parallel to the longitudinal axis of the chamber 38, the internal walls being placed relative to the electrodes as represented by the broken lines in Figure 3, the double arrow thereof representing the direction of the electric field in the waveguide chamber.

L'espacement A des axes centraux des parties perpendiculaires 41 et 43 des électrodes 40 et 42 qui se recouvrent peut varier avec la haute fréquence appliquée par la source et, comme indiqué précédemment, il varie indépendamment des dimensions de la chambre 38 de guidage d'ondes, contrairement à la configuration connue représentée sur la figure 1. L'appareil selon l'invention peut être utilisé par exemple avec une dimension A comprise entre environ 5 et 12,5 mm, avec une différence de tension correspondante comprise entre 500 et 1000 V. Il faut noter que les électrodes peuvent être fixées à la surface des blocs céramiques par une opération de métallisation, par exemple par pulvérisation. Cependant, divers procédés de dépôt d'un film mince de métal de conductivité élevée sur un substrat céramique peuvent convenir pour la mise en oeuvre de l'invention.La dimension B correspondant à la largeur des parties 41 et 43 est d'environ 0,5 mm. The spacing A of the central axes of the perpendicular portions 41 and 43 of the overlapping electrodes 40 and 42 may vary with the high frequency applied by the source and, as previously indicated, it varies independently of the dimensions of the guide chamber 38. wave, unlike the known configuration shown in Figure 1. The apparatus of the invention can be used for example with a dimension A between about 5 and 12.5 mm, with a corresponding voltage difference of between 500 and 1000 V. It should be noted that the electrodes can be fixed to the surface of the ceramic blocks by a metallization operation, for example by spraying. However, various methods of depositing a thin film of high conductivity metal on a ceramic substrate may be suitable for the implementation of the invention. The dimension B corresponding to the width of the parts 41 and 43 is about 0, 5 mm.

La figure 4 représente un mode de réalisation avantageux de laser à gaz à guide d'ondes à excitation longitudinale selon l'invention. Cette configuration avantageuse de la figure 4 présente un certain nombre d'avantages par rapport au laser à guide d'ondes de type connu, comme décrit plus en détail dans la suite. On montre expérimentalement su'une électrode d'aluminium nu représente l'une des meilleures matières d' électrode puisque 1 'aluminium paraît résister très bien aux effets de la décharge du laser. Cependant, lorsque la longueur du laser atteint une valeur qui est d'environ 20 cm, pour une puissance de charge de l'ordre de 2 à 4 W/cm, la décharge du laser présente une impédance caractéristique bistable qui fait apparaître le problème précité des points chauds.En outre, les électrodes d'aluminium s'oxydent rapidement et une oxydation importante apparaissant après quelques heures seulement de fonctionnement est suffisamment grande pour que la conductivité des parois soit réduite et pour que les caractéristiques du laser soient aussi diminuées. Une oxydation importante est provoquée sans doute par des vapeurs acides formées pendant la décharge. La configuration selon l'invention, représentée sur la figure 4, résout le problème posé par l'oxyda- tion des électrodes, a tendance à réduire le problème pré senté par les points chauds et en outre constitue des perfectionnements très avantageux de la structure si bien que le laser forme est d'encombrement réduit et de grande fia bilité.  FIG. 4 represents an advantageous embodiment of longitudinal excitation waveguide gas laser according to the invention. This advantageous configuration of FIG. 4 has a certain number of advantages over the known type of waveguide laser, as described in more detail below. It is shown experimentally that a bare aluminum electrode represents one of the best electrode materials since aluminum seems to withstand very well the effects of laser discharge. However, when the length of the laser reaches a value which is about 20 cm, for a charging power of the order of 2 to 4 W / cm, the discharge of the laser has a characteristic bistable impedance that causes the problem mentioned above In addition, the aluminum electrodes oxidize rapidly and significant oxidation occurring after only a few hours of operation is sufficiently large that the conductivity of the walls is reduced and that the characteristics of the laser are also reduced. Significant oxidation is probably caused by acid vapors formed during the discharge. The configuration according to the invention, shown in FIG. 4, solves the problem posed by the oxidation of the electrodes, tends to reduce the problem presented by the hot spots and furthermore constitutes very advantageous improvements in the structure if Although the laser form is compact and highly reliable.

Plus précisément, comme indiqué dans la configuration de la figure 4, le laser à gaz à guide d'ondes longitudinal comprenant deux feuilles 50 et 52 d'alumine entre lesquelles sont disposées deux bandes d'alumine 54 et 56 qui délimitent une chambre 55 de guide d'ondes. En outre, une couche mince de métallisation est appliquée aux substrats d'alumine afin qu'elle forme les électrodes d'excitation ou les surfaces externes 58 et 60 des feuilles 50 et 52 respectivement. Il apparaît clairement que les surfaces 58 et 60 sont isolées par rapport à la chambre 55 de décharge du guide d'ondes. Les électrodes des côtés opposés de la structure du guide d'ondes sont reliées par des conducteurs électriques 62 et 64 qui donnent aussi un accès électrique à un circuit de pilotage.Par exemple, les bandes d'alumine 50 et 52 ont une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm, comme indiqué par la dimension C, et les bandes d'alumine 54 et 56 ont par exemple une épaisseur de 1 à 3 mm comme indiqué par la dimension D. La chambre 55 a par exemple une section carrée ayant des côtés de 1 à 3 mm. More specifically, as indicated in the configuration of FIG. 4, the longitudinal waveguide gas laser comprising two sheets 50 and 52 of alumina, between which two strips of alumina 54 and 56 which delimit a chamber 55 of waveguide. In addition, a thin metallization layer is applied to the alumina substrates to form the excitation electrodes or the outer surfaces 58 and 60 of the sheets 50 and 52, respectively. It is clear that the surfaces 58 and 60 are insulated from the discharge chamber 55 of the waveguide. The electrodes of the opposite sides of the waveguide structure are connected by electrical conductors 62 and 64 which also provide electrical access to a control circuit. For example, the alumina strips 50 and 52 have a thickness between 0.5 and 2 mm, as indicated by the dimension C, and the strips of alumina 54 and 56 have for example a thickness of 1 to 3 mm as indicated by the dimension D. The chamber 55 has for example a square section having sides of 1 to 3 mm.

La structure du mode de réalisation de la figure 4 est totalement homogène car toutes les interfaces ainsi que toutes les surfaces formant les parois de la chambre 55, sont formées d'alumine, c'est-à-dire Al203 formé paranodisation dure de llaluminium. Cette structure peut être enfermée de manière étanche par soudure si bien que seule la chambre 55 doit etre remplie du gaz actif du laser. The structure of the embodiment of FIG. 4 is completely homogeneous since all the interfaces as well as all the surfaces forming the walls of the chamber 55 are formed of alumina, that is to say Al 2 O 3 formed by hard aluminum anodizing. This structure can be sealed tightly by welding so that only the chamber 55 must be filled with the active gas of the laser.

Cette caractéristique se distingue de la configuration du laser connu de la figure 1 qui, étant donné la difficulté du soudage étanche de matières différentes qui forment les côtés de la chambre 20 du laser connu à excitation transversale de la figure 1, nécessite la disposition de l'ensemble de la structure dans une cavité remplie de gaz ou dans un boîtier si bien que la dimension de la structure dans son ensemble est accrue. En conséquence, selon l'invention, la structure est encombrante et, comme les électrodes sont isolées de la décharge dans le gaz, le laser a une fiabilité accrue et une meilleure durabilité que les lasers connus.This characteristic is distinguished from the configuration of the known laser of FIG. 1 which, given the difficulty of the sealed welding of different materials which form the sides of the chamber 20 of the known transversely excited laser of FIG. assembly of the structure in a gas-filled cavity or in a housing so that the dimension of the overall structure is increased. Accordingly, according to the invention, the structure is bulky and, since the electrodes are isolated from the gas discharge, the laser has increased reliability and durability than the known lasers.

Le problème précité présenté par l'impédance bistable a tendance à se manifester et à réduire les caractéristiques des lasers à guide d'ondes à gaz, que leur configuration assure une excitation longitudinale ou transversale. En conséquence, des perfectionnements supplémentaires décrits dans la suite du présent mémoire, concernant l'éli- mination ou la réduction importante des perturbations des caractéristiques et du rendement provoquées par le problème de l'impédance caractéristique bistable, s'appliquent aux lasers à guide d'ondes à électrode transversale ou longitu dinale.Plus précisément, on constate que les problèmes presentes par l'impédance bistable peuvent être résolus à l'aide d'une charge capacitive, d'un nouveau circuit de pilotage et d'une opération originale de mise sous tension commandée, ces caractéristiques étant considérées individuellement ou en combinaison. The aforementioned problem presented by the bistable impedance tends to manifest itself and to reduce the characteristics of the gas waveguide lasers, that their configuration ensures a longitudinal or transverse excitation. Accordingly, further improvements described hereinafter with respect to the elimination or substantial reduction of the characteristic and efficiency disturbances caused by the problem of the characteristic bistable impedance, apply to the guide lasers. It can be seen that the problems presented by the bistable impedance can be solved by means of a capacitive load, a new control circuit and an original operation. controlled power-up, these characteristics being considered individually or in combination.

La cause du problème précité des points chauds est représentée par le graphique de la figure 5 qui indique, en abscisses, la plage limitée de puissances d'entrée pour laquelle on constate que la décharge excitée à haute fréquence est stable et uniforme spatialement (courbe supérieure). Pour des puissances d'entrée suffisamment faibles, on constate que la décharge cesse. Dans le cas d'un laser à guide d'ondes à décharge transversale de type connu, pendant le fonctionnement instable, la décharge n'est déclenchée que le long de parties limitées de la longueur du guide d'ondes et la longueur de la décharge et son emplacement paraissent aléatoires.On note qu'un effet analogue se produit dans le laser à guide d'ondes longitudinal selon l'invention dans lequel tous les segments de décharge ne se rassemblent pas pour former une décharge stable et continue, et les divers segments de décharge paraissent s'allumer et s'éteindre de façon aléatoire. Pour une plus grande puissance d'entrée, on observe le même type de défauts d'uni formité dans les dispositifs transversaux et longitudinaux. The cause of the aforementioned hotspot problem is represented by the graph of FIG. 5, which indicates, on the abscissa, the limited range of input powers for which it is found that the high-frequency excited discharge is stable and spatially uniform (upper curve). ). For sufficiently low input powers, it is found that the discharge ceases. In the case of a known type transverse waveguide laser, during unstable operation, the discharge is only triggered along limited portions of the length of the waveguide and the length of the discharge. and its location appear random.It is noted that a similar effect occurs in the longitudinal waveguide laser according to the invention in which all the discharge segments do not congregate to form a stable and continuous discharge, and the various Segments of discharge appear to turn on and off randomly. For greater input power, the same type of uniformity defects are observed in transverse and longitudinal devices.

On considère que les instabilités apparaissant aux deux extrémités de la plage de puissances sont dues à une impédance caractéristique bistable de la décharge. Les effets d'une telle impédance bistable peuvent être compensés dans une certaine mesure par utilisation d'une haute fréquence accrue de pilotage ou d'une plus grande dimension de chambre de guide d'ondes ou par une charge d'impédance. It is considered that the instabilities appearing at both ends of the power range are due to a characteristic bistable impedance of the discharge. The effects of such a bistable impedance can be compensated to some extent by using an increased high frequency drive or a larger waveguide chamber dimension or an impedance load.

La stabilisation de la décharge par une charge d'impédance est considérée comme la technique la plus souhaitable car elle n'a pas d'effet sur la souplesse d'application du guide d'ondes quant à sa haute fréquence ou à la dimension de la chambre. La solution la plus avantageuse est donc la charge d'impédance, c'est-à-dire l'addition d'une impédance série qui a tendance à réduire au minimum l'effet du changement d'impédance dans la décharge du guide d'ondes, en fonction de la puissance d'entrée. L'utilisation d'un condensateur série de charge est la meilleure si on la compare par exemple à l'utilisation d'une résistance série de charge, parce qu'aucune énergie n'est dissipée dans l'élément de charge.En outre, un condensateur série est facilement utilisé dans les structures à guide d'ondes comme représenté dans la suite du présent-mémoire en référence aux figures 6 à 10.The stabilization of the discharge by an impedance load is considered the most desirable technique because it has no effect on the flexibility of application of the waveguide as to its high frequency or the size of the bedroom. The most advantageous solution is therefore the impedance load, ie the addition of a series impedance which tends to minimize the effect of the impedance change in the discharge of the guide. waves, depending on the input power. The use of a load series capacitor is best when compared to the use of a series load resistor, for example, because no energy is dissipated in the charging element. a series capacitor is easily used in waveguide structures as shown hereinafter with reference to FIGS. 6 to 10.

Dans le cas de la configuration à décharge transversale de type connu, la charge capacitive est obtenue comme représenté sur la figure 6 sur laquelle la chambre 70 du guide d'ondes est décalée du centre du bloc céramique 72 séparant les deux électrodes 74 et 76. Dans l'exemple repré senté sur la figure 6, une chambre de guide d'ondes de hauteur a est séparée des deux électrodes,par des blocs céramiques ayant une constante diélectrique e,d'une distance d. In the case of the known type of transverse discharge configuration, the capacitive load is obtained as shown in FIG. 6, in which the chamber 70 of the waveguide is offset from the center of the ceramic block 72 separating the two electrodes 74 and 76. In the example shown in FIG. 6, a waveguide chamber of height a is separated from the two electrodes by ceramic blocks having a dielectric constant e of a distance d.

Le circuit équivalent est représenté sur la figure 7 sur laquelle on note que l'impédance équivalente de la décharge, représentée par la disposition en parallèle du condensateur
C2 de décharge et d'une conductance G2 de décharge, est en série avec le condensateur Cl de charge. Comme l'indique x1 WE C2 WE les équations a 7x = d et Tx = a, la variation avec la longueur X du guide d'ondes de la capacité correspondante peut être considérée comme égale à la largeur W de la section de la structure de guidage d'ondes multipliée par la constante diélectrique et divisée par la distance d.La variation de la capacité C2 de décharge par rapport à la longueur du guide d'ondes peut être déterminée de manière analogue comme étant égale à la largeur W multipliée par la constante diélectrique et divisée par la hauteur de la chambre a. Il apparaît clairement que, lors de la variation de la dimension d par rapport à la dimension a, une capacité importante et stable peut être introduite en série avec le condensateur de décharge si bien que l'impédance caractéristique peut être mieux stabilisée et annule ou réduit sensiblement la probabilité de la formation de points chauds instables dans la décharge, pour un laser à guide d'ondes de longueur quelconque à excitation transversale.
The equivalent circuit is shown in FIG. 7 on which it is noted that the equivalent impedance of the discharge, represented by the parallel arrangement of the capacitor
C2 discharge and discharge conductance G2, is in series with the charge capacitor C1. As x1 WE C2 WE indicates the equations at 7x = d and Tx = a, the variation with the length X of the waveguide of the corresponding capacitance can be considered equal to the width W of the section of the structure of waveguide multiplied by the dielectric constant and divided by the distance d.The variation of the discharge capacitance C2 with respect to the length of the waveguide may be similarly determined to be equal to the width W multiplied by the dielectric constant and divided by the height of the chamber a. It is clear that, when varying the dimension d with respect to the dimension a, a large and stable capacitance can be introduced in series with the discharge capacitor so that the characteristic impedance can be better stabilized and cancel or reduce substantially the probability of the formation of unstable hot spots in the discharge, for a waveguide laser of any length with transverse excitation.

Les figures 8 et 9 représentent une forme analogue de charge capacitive d'une laser à guide d'ondes à excitation longitudinale dans un mode de réalisation dont un jeu d'électrodes au moins est séparé de la chambre de guidage d'ondes par une épaisseur t de matière diélectrique, par exemple d'une céramique ou d'alumine.Les parties d'électrodes qui se recouvrent, correspondant aux parties 41 et 43 de la figure 3, sont décalées les unes par rapport aux autres d'une distance ds comme indiqué sur la figure 9 et sont décalées verticalement par rapport à la chambre 82 par l'épaisseur du diélectrique 80
La figure 10 est un circuit équivalent représentant les diverses capacités dans les configurations de guide d'ondes des figures 8 et 9 pour lesquelles on suppose que le bloc diélectrique inférieur 84 est relié à la masse par exemple par disposition sur un plan de masse. La distance séparant les electrodes de la paroi de la chambre, correspondant au diélectrique 80, sur une épaisseur t, augmente la capacité de charge cob entre la capacité Cd de décharge et chaque électrode. En outre, il existe une capacité entre chaque côté de la décharge et la masse, à travers le bloc diélectrique inférieur 84. Comme l'indique la formule
Cb = due la valeur de la capacité C b existant entre chaque électrode et la conductance Gd de la décharge est à peu près égale à la distance séparant les électrodes ds multipliée par la constante diélectrique C du bloc diélectrique 80 et divisée par quatre fois l'épaisseur t du bloc diélectrique 80. I1 faut noter que la position originale des électrodes, c'est-à-dire à la face supérieure de la structure de guidage d'ondes, séparée de la chambre de guidage par une matière diélectrique, est doublement avantageuse car, en plus de l'isolement des électrodes contre les ef fets nuisibles du contact direct avec la décharge dans la chambre de guidage d'ondes, elle forme une capacité de charge qui réduit au minimum les effets de l'impédance caractéristique bistable de la décharge.
FIGS. 8 and 9 show a similar form of capacitive load of a longitudinally excited waveguide laser in an embodiment of which at least one set of electrodes is separated from the waveguide chamber by a thickness The overlapping electrode portions corresponding to the portions 41 and 43 of FIG. 3 are offset relative to one another by a distance d.sub.r as a dielectric material, for example a ceramic or alumina. indicated in FIG. 9 and are offset vertically with respect to the chamber 82 by the thickness of the dielectric 80
Fig. 10 is an equivalent circuit showing the various capacitances in the waveguide configurations of Figs. 8 and 9 for which it is assumed that the lower dielectric block 84 is connected to ground for example by ground plane arrangement. The distance separating the electrodes from the wall of the chamber, corresponding to the dielectric 80, over a thickness t, increases the load capacity cob between the discharge capacitor Cd and each electrode. In addition, there is a capacitance between each side of the discharge and the mass, through the lower dielectric block 84. As indicated by the formula
Cb = due to the value of the capacitance C b existing between each electrode and the conductance Gd of the discharge is approximately equal to the distance separating the electrodes ds multiplied by the dielectric constant C of the dielectric block 80 and divided by four times the thickness t of the dielectric block 80. It should be noted that the original position of the electrodes, that is to say, the upper face of the waveguiding structure, separated from the guide chamber by a dielectric material, is doubly advantageous because, in addition to isolating the electrodes against the harmful effects of direct contact with the discharge in the waveguiding chamber, it forms a charging capacitance which minimizes the effects of the characteristic bistable impedance of discharge.

On se réfère maintenant aux figures 11 et 12 pour la description d'un autre dispositif destiné à supprimer ou réduire notablement les effets nuisibles de l'impé- dance caractéristique bistable indiqués précédemment. Reference is now made to FIGS. 11 and 12 for the description of another device for substantially eliminating or reducing the deleterious effects of the characteristic bistable impedance indicated above.

Sur la figure 11, la capacité Cd de décharge est reliée à un générateur Vs de tension par une ligne coaxiale 90 ayant une longueur prédéterminée 1, exprimée en nombre de longueursd'ode, et ayant une impédance caractéristique ZOZ et par un transformateur T ayant un rapport d'enroulement égal à N. En outre, une bobine d'accord Lp est montée
p en parallèle avec la capacité de décharge et elle est réglée pour assurer la résonance de la capacité pour la fréquence d'excitation.
In FIG. 11, the discharge capacitor Cd is connected to a voltage generator Vs by a coaxial line 90 having a predetermined length 1, expressed in number of electrode lengths, and having a characteristic impedance ZOZ and by a transformer T having a winding ratio equal to N. In addition, a Lp chord coil is mounted
p in parallel with the discharge capacity and it is set to ensure resonance of the capacitance for the excitation frequency.

Lorsque la ligne coaxiale 90 est une ligne quart d'onde, la puissance et le courant d'entrée sont donnés par les formules :

Figure img00200001

dans lesquelles 10 = 1d N et VO = Vd/N et Id et Vd sont l'intensité et la tension de la décharge (dans l'hypothèse de la résonance).When the coaxial line 90 is a quarter-wave line, the power and the input current are given by the formulas:
Figure img00200001

where 10 = 1d N and VO = Vd / N and Id and Vd are the intensity and voltage of the discharge (assuming resonance).


On peut relier Ven à I par la relation
en
(2) Ven = Vs - R5Ien
Si l'on tire les valeurs de Vd et Id, on obtient

Figure img00200002

We can connect Ven to I by the relation
in
(2) Ven = Vs - R5Ien
If we take the values of Vd and Id, we get
Figure img00200002

Cette équation est celle d'une ligne de charge. This equation is that of a load line.

La seule signification de j est que le courant et la tension de décharge sont déphasés de 900 par rapport à la source. L'impédancé efficace de la source est donc

Figure img00210001
The only meaning of j is that the current and the discharge voltage are 900 out of phase with the source. The effective impedance of the source is therefore
Figure img00210001

La stabilité est obtenue lorsque

Figure img00210002

(étant donné que l'impédance résultante est positive).Stability is obtained when
Figure img00210002

(since the resulting impedance is positive).

En conséquence, l'utilisation d'une impédance caractéristique bien supérieure à l'impédance de la source permet une augmentation considérable de l'impédance efficace de la source. La condition de l'équation (5) peut alors être satisfaite. As a result, the use of a characteristic impedance much higher than the impedance of the source allows a considerable increase in the effective impedance of the source. The condition of equation (5) can then be satisfied.

Une autre manière de considérer ce comportement est de représenter la ligne quart d'onde sous forme d'un inverseur d'impédance. Si la décharge commence à former un arc, l'impédance de la décharge diminue. A l'entrée de la ligne quart d'onde, l'impédance commence à augmenter. En général, moins d'énergie est alors transmise à la charge qui interrompt alors l'arc. Another way to consider this behavior is to represent the quarter-wave line as an impedance inverter. If the discharge begins to form an arc, the impedance of the discharge decreases. At the input of the quarter-wave line, the impedance begins to increase. In general, less energy is then transmitted to the load which interrupts the arc.

Lorsque la ligne coaxiale 90 est une ligne demionde, l'équation de la ligne de charge est donnée dans ce cas par la relation
(6) Vs = R5 Id N + Vd/N
L'impédance efficace de la source est donc

Figure img00210003
When the coaxial line 90 is a line demionde, the equation of the load line is given in this case by the relation
(6) Vs = R5 Id N + Vd / N
The effective impedance of the source is therefore
Figure img00210003

La stabilité de la décharge est garantie par la relation

Figure img00210004
The stability of the discharge is guaranteed by the relation
Figure img00210004

Contrairement au cas de la ligne quart d'onde, l'impédance efficace de la source est juste celle de la source et a tendance à être bien inférieure. Pour une impédance de source de 25 ohms et un câble de 75 ohms, l'impé- dance efficace de la source (divisée par N2) est 225 ohms pour une section quart d'onde et seulement 25 ohms pour une section demi-onde.Comme l'indique la figure 11, la configuration selon l'invention-, utilisée pour l'excitation des lasers à haute fréquence comprend un générateur à haute fréquence Vs relié à un câble coaxial de longueur a et d'impédance caractéristique Z0, relié à son tour au primaire du transformateur T. Le secondaire de ce dernier est relié à la section de décharge dans laquelle la capacité Cd est mise en résonance par une bobine Lp montée en parallèle. Unlike the case of the quarter-wave line, the effective impedance of the source is just that of the source and tends to be much lower. For a source impedance of 25 ohms and a 75 ohm cable, the effective impedance of the source (divided by N2) is 225 ohms for a quarter wave section and only 25 ohms for a half wave section. As shown in FIG. 11, the configuration according to the invention, used for the excitation of high frequency lasers comprises a high frequency generator Vs connected to a coaxial cable of length a and of characteristic impedance Z0, connected to The secondary of the transformer is connected to the discharge section in which the capacitance Cd is resonated by a coil Lp connected in parallel.

Comme l'indique aussi la figure 11, l'impédance présentée à la ligne est donnée par la relation :

Figure img00220001

dans laquelle Z représente l'impédance présentée au transformateur et kl est égal à 2X/Am (Am étant la longueur d'onde).As also shown in Figure 11, the impedance presented at the line is given by the relation:
Figure img00220001

where Z represents the impedance presented to the transformer and k1 is equal to 2X / Am (Am being the wavelength).

La tension Ven est donnée par la relation

Figure img00220002

dans laquelle V et V représentent l'onde progressive se déplaçant vers l'avant et vers l'arrière ou, si l'on tire
V+, on
Figure img00220003
The voltage Ven is given by the relation
Figure img00220002

where V and V represent the traveling wave moving forward and backward or, if
V +, we
Figure img00220003

<tb> obtient <SEP> : <SEP> z
<tb> <SEP> en
<tb> <SEP> V <SEP> R <SEP> + <SEP> Zen
<tb> <SEP> (11) <SEP> V+ <SEP> = <SEP> s <SEP> s <SEP> en
<tb> <SEP> Z <SEP> + <SEP> Z1 <SEP> Z <SEP> e <SEP> -Z
<tb> <SEP> 1 <SEP> o <SEP> -jkl
<tb> <SEP> e <SEP> zl <SEP> F <SEP> ZO <SEP> e
<tb>
La tension à l'entrée du transformateur est donnée par la relation

Figure img00220004
<tb> gets <SEP>: <SEP> z
<tb><SEP> in
<tb><SEP> V <SEP> R <SEP> + <SEP> Zen
<tb><SEP> (11) <SEP> V + <SEP> = <SEP> s <SEP> s <SEP> in
<tb><SEP> Z <SEP> + <SEP> Z1 <SEP> Z <SEP> e <SEP> -Z
<tb><SEP> 1 <SEP> o <SEP> -jkl
<tb><SEP> e <SEP> zl <SEP> F <SEP> ZO <SEP> e
<Tb>
The voltage at the input of the transformer is given by the relation
Figure img00220004

Pour l'évaluation de Z1, il est commode de montrer que Z1 est donné par la relation

Figure img00220005

dans laquelle Qu représente le facteur de surtension sans charge et N le rapport d'enroulement.Dans un exemple dans lequel C = 40 pF, f = 40 MHz et N = 4, on a Qu sensiblement égal à 100.
Figure img00230001
For the evaluation of Z1, it is convenient to show that Z1 is given by the relation
Figure img00220005

where Qu is the load-free overvoltage factor and N is the winding ratio. In an example where C = 40 pF, f = 40 MHz and N = 4, Qu is substantially equal to 100.
Figure img00230001

Si l'on suppose Z1 Z0, on a
(15) VO ~ 2 V+
Si l'on considère deux cas particuliers, ceux des lignes quart d'onde et demi-onde, on a, pour la ligne quart d'onde (c'est-à-dire 1 = /4)

Figure img00230002
Assuming Z1 Z0, we have
(15) VO ~ 2 V +
If we consider two particular cases, those of the quarter-wave and half-wave lines, we have, for the quarter-wave line (that is to say 1 = / 4)
Figure img00230002

La tension créée aux bornes de la section de décharge est donc égale à

Figure img00230003
The voltage created across the discharge section is therefore equal to
Figure img00230003

Dans le cas d'une ligne demi-onde (c'est-à-dire 1 = A/2), on a
(20) Zen = Z

Figure img00230004
In the case of a half-wave line (i.e., 1 = A / 2), we have
(20) Zen = Z
Figure img00230004

La tension aux bornes de la section de décharge est donc égale à

Figure img00230005
The voltage across the discharge section is therefore equal to
Figure img00230005

Si l'on suppose une impédance de source de 50 ohms et une impédance caractéristique de 50 ohms, les deux cas (X/4 ou A/2 pour la longueur de la ligne) sont équivalents.  Assuming a 50 ohm source impedance and a typical 50 ohm impedance, both cases (X / 4 or A / 2 for line length) are equivalent.

Cependant, dans le cas demi-onde, la tension est indépendante (à une approximation du premier ordre) de l'impédance de la source et de l'impédance du câble alors que, dans le cas quart d'onde, une augmentation de la tension peut être réalisée par utilisation d'une impédance de câble supérieure à l'impédance de source. Par exemple, une ligne de 75 ohms et une impédance de source de 50 ohms donnent une augmentation de 50 % de la tension.However, in the half-wave case, the voltage is independent (to a first-order approximation) of the impedance of the source and the impedance of the cable whereas, in the case of a quarter wave, an increase in the Voltage can be achieved by using a cable impedance greater than the source impedance. For example, a 75 ohm line and a 50 ohm source impedance give a 50% increase in voltage.

Ainsi, on note que l'utilisation du circuit original de pilotage comprenant une ligne coaxiale ou d'un autre itinéraire convenable de transmission, suivant la fréquence de fonctionnement, ayant une longueur de ligne égale a un quart de la longueur d'onde et une impédance caractéristique égale ou supérieure à 1,5 Rs, la stabilité de la décharge est assurée et il y a une augmentation importante de la tension de décharge par rapport à la tension de la source. Thus, it is noted that the use of the original control circuit comprising a coaxial line or another suitable transmission route, depending on the operating frequency, having a line length equal to a quarter of the wavelength and a Characteristic impedance equal to or greater than 1.5 Rs, the stability of the discharge is ensured and there is a significant increase of the discharge voltage with respect to the voltage of the source.

La figure 12 correspond à un autre dispositif permettant la réduction importante ou l'élimination du problème posé par les points chauds, provoqué par l'impédance caractéristique bistable de la décharge du laser, à excitation transversale ou longitudinale. Ce dispositif supplémentaire comprend l'application contrôlée d'énergie aux électrodes d'excitation comme indiqué graphiquement sur la figure 12, c'est-à-dire l'application instantanée d'une quantité suffisante d'énergie pour que le claquage soit déclenché, puis l'augmentation plus progressive de l'éner- gie transmise pendant un temps supérieur ou égal à une valeur minimale de 1 milliseconde, jusqu'à ce que la puissance maximale d'excitation soit atteinte. Par exemple, pour les paramètres indiqués précédemment en référence à la figure ll, la puissance P b est égale à 20 W et la puissance P max est égale à 80 W. On considère que l'excellente stabilité obtenue par application progressive de l'énergie d'excitation, comme indiqué sur la figure 12, est due à la tendance de la décharge à suivre la courbe d'impédance la plus stable parmi les deux parties de courbe à pente positive de l'impédance qui forment la caractéristique bistable préci tée.La réalisation d'un dispositif automatique d'application progressive de l'énergie d'excitation peut être effectuée facilement à l'aide d'un circuit capacitif convenable placé au niveau du générateur à haute fréquence, ce circuit étant bien connu des hommes du métier et n' étant pas décrit en détail dans le présent memoire. Figure 12 corresponds to another device allowing significant reduction or elimination of the problem posed by hot spots, caused by the characteristic impedance bistable laser discharge, transversely or longitudinally excited. This additional device comprises the controlled application of energy to the excitation electrodes as indicated graphically in FIG. 12, that is to say the instantaneous application of a sufficient quantity of energy so that the breakdown is triggered, then the more gradual increase of energy transmitted for a time greater than or equal to a minimum value of 1 millisecond, until the maximum excitation power is reached. For example, for the parameters indicated previously with reference to FIG. 11, the power P b is equal to 20 W and the power P max is equal to 80 W. It is considered that the excellent stability obtained by progressive application of the energy As shown in FIG. 12, the excitation frequency is due to the tendency of the discharge to follow the most stable impedance curve of the two positive impedance slope portions which form the above-mentioned bistable characteristic. The realization of an automatic device for progressive application of the excitation energy can be easily performed using a suitable capacitive circuit placed at the level of the high frequency generator, this circuit being well known to those skilled in the art. and not described in detail in this memo.

La figure 13 est une perspective d'un mode de réalisation avantageux de guide d'ondes 100 à excitation longitudinale selon l'invention dans lequel la chambre 102 du guide d'ondes est formée par deux blocs latéraux 104 et 106 d'alumine qui sont eux-mêmes disposes entre deux plaques céramiques 108 et 110. Chacune de ces plaques céramiques est revêtue à sa face externe, comme indiqué sur la figure 13 pour la plaque supérieure 108, par des électrodes allongées comme décrit precédemment et qui ont une configuration assurant la formation d'un champ électrique longitudinal dans la chambre 102. Plus précisément, l'électrode 112 et ses parties perpendiculaires telles que la partie 114, à un moment quelconque, ont une polarité opposée à celle de l'électrode correspondante 116 ayant des parties perpendiculaires telles que la partie 118. FIG. 13 is a perspective of an advantageous embodiment of longitudinal excitation waveguide 100 according to the invention in which the chamber 102 of the waveguide is formed by two side blocks 104 and 106 of alumina which are they themselves arranged between two ceramic plates 108 and 110. Each of these ceramic plates is coated on its outer face, as shown in Figure 13 for the upper plate 108, by elongate electrodes as described above and which have a configuration ensuring the forming a longitudinal electric field in the chamber 102. More precisely, the electrode 112 and its perpendicular parts such as the part 114, at any time, have a polarity opposite to that of the corresponding electrode 116 having perpendicular portions such as part 118.

Dans le mode de réalisation avantageux de la figure 13, la dimension F est par exemple égale à 0,5 mm, la dimension G est par exemple égale à 1 mm et la dimension H à 6,35 mm. En outre, la chambre 102 a une section carrée avec des parois de 2 mm qui délimitent la chambre. In the advantageous embodiment of FIG. 13, the dimension F is for example equal to 0.5 mm, the dimension G is for example equal to 1 mm and the dimension H to 6.35 mm. In addition, the chamber 102 has a square section with walls of 2 mm which delimit the chamber.

Les figures 14 et 15 représentent deux configurations différentes de tête laser comprenant le guide d'ondes 100 de la figure 13. Comme indiqué sur la figure 14, cette configuration comprend le guide d'ondes 100 placé dans une boîte métallique 120 de section rectangulaire, assurant un blindage à haute fréquence. Le guide d'ondes est centré à l'intérieur sur un socle 122. Celui-ci a une chambre 124 de section rectangulaire qui constitue un réservoir de gaz pour le guide d'ondes. Les chambres 102 du guide 100 et 124 du socle 122 sont toutes deux à une pression convenable inférieure à la pression atmosphérique, convenant au fonction nement du laser. Le volume interne restant de la boîte 120 est à pression ambiante et forme un canal fermé pour le refroidissement du guide 100 par circulation forcée d'air. FIGS. 14 and 15 show two different laser head configurations comprising the waveguide 100 of FIG. 13. As shown in FIG. 14, this configuration comprises the waveguide 100 placed in a rectangular section metal box 120. providing high frequency shielding. The waveguide is centered inside on a base 122. This has a chamber 124 of rectangular section which constitutes a gas reservoir for the waveguide. The chambers 102 of the guide 100 and 124 of the base 122 are both at a suitable pressure below atmospheric pressure, suitable for the operation of the laser. The remaining internal volume of the box 120 is at ambient pressure and forms a closed channel for cooling the guide 100 by forced circulation of air.

Dans la variante de la figure 15, le guide d'ondes 100 est placé à l'intérieur d'une boîte métallique 130 destinée à former un blindage à haute fréquence et à être à une dépression convenable. La structure du guide d'ondes est montée entre les blocs céramiques 132 et 134 qui empêchent la décharge à l'extérieur de la chambre 102. In the variant of FIG. 15, the waveguide 100 is placed inside a metal box 130 intended to form a high frequency shielding and to be at a suitable depression. The waveguide structure is mounted between the ceramic blocks 132 and 134 which prevent discharge to the outside of the chamber 102.

Le volume restant délimité entre les parois de la boîte 130 et la structure du guide d'ondes est aussi rempli d'un gaz actif qui sert de réserve, le gaz étant à la même pression inférieure à la pression atmosphérique que le gaz du laser placé dans la chambre 102. The remaining volume delimited between the walls of the box 130 and the structure of the waveguide is also filled with an active gas which serves as a reserve, the gas being at the same pressure lower than the atmospheric pressure that the laser gas placed in room 102.

La figure 16 représente schématiquement l'interface électrique d'un mode de réalisation avantageux de l'invention dans lequel différents dispositifs de réduction ou de suppression des problèmes présentés par les points chauds, comme décrit précédemment, sont utilisés. Fig. 16 schematically illustrates the electrical interface of an advantageous embodiment of the invention in which different devices for reducing or eliminating problems presented by hot spots, as previously described, are used.

Par exemple, le guide d'ondes 100 a des électrodes telles que représentées sur la figure 13, c'est-à-dire sous forme d'une mince couche de métallisation appliquée sur les faces supérieure et inférieure respectivement de plaques céra- miques 108 et 110. Le maintien des électrodes à distance de la chambre par les plaques 108 et 110 introduit la capacité de charge précitée. Une self Lr à résonance est montée entre les électrodes et les paires supérieure et inférieure d'électrodes de même polarité sont connectées par les conducteurs 140 et 142 qui assurent aussi l'interconnexion au transformateur 144.Celui-ci est relié à une source convenable de tension Vs par l'intermédiaire du circuit de pilotage selon l'invention comprenant une ligne quart d'onde 146 ayant une impédance caractéristique supérieure ou égale à 1,5 fois l'impédance de la source ; sur la figure 16, on suppose que l'impédance de la source est de 50 ohms et que l'impédance caractéristique de la ligne 146 est égale ou supérieure à 75 ohms, suivant le perfectionnement décrit précédemment. En outre, la caractéristique retardée de l'énergie d'excitation, comme décrit précédemment en reférence à la figure 12, est représentée par incorporation dans le circuit de la figure 16 d'un dispositif convenable 148 de commande du générateur, dont les détails sont connus des hommes du métier.For example, the waveguide 100 has electrodes as shown in FIG. 13, i.e. in the form of a thin metallization layer applied to the upper and lower faces respectively of ceramic plates 108. and 110. Keeping the electrodes away from the chamber by the plates 108 and 110 introduces the aforementioned charging capacity. A resonance choke Lr is mounted between the electrodes and the upper and lower pairs of electrodes of the same polarity are connected by the conductors 140 and 142 which also interconnect the transformer 144. This is connected to a suitable source of Vs voltage through the control circuit according to the invention comprising a quarter-wave line 146 having a characteristic impedance greater than or equal to 1.5 times the impedance of the source; in FIG. 16, it is assumed that the impedance of the source is 50 ohms and that the characteristic impedance of line 146 is equal to or greater than 75 ohms, according to the improvement described above. Furthermore, the delayed characteristic of the excitation energy, as previously described with reference to FIG. 12, is represented by incorporation in the circuit of FIG. 16 of a suitable device 148 for controlling the generator, the details of which are known to those skilled in the art.

Les figures 17, 18 et 19 représentent un autre mode de réalisation de configuration de tête laser mettant en oeuvre une technique perfectionnée de construction qui permet l'utilisation de techniques de production en grande série et à faible coût selon l'invention. Dans les configurations décrites, la chambre active est formée par des électrodes d'aluminium distantes et placées en regard, disposées entre deux blocs d'alumine. L'ensemble est maintenu aligné et comprimé par un tube élastique 150 représenté en coupe sur la figure 17. Le tube élastique forme un boîtier du type à ressort et destiné à être mis sous vide et un radiateur, assurant le positionnement du guide d'ondes et des éléments optiques avec un alignement convenable. Figures 17, 18 and 19 show another embodiment of laser head configuration implementing an improved construction technique that allows the use of mass production techniques and low cost according to the invention. In the configurations described, the active chamber is formed by spaced-apart and placed aluminum electrodes arranged between two blocks of alumina. The assembly is kept aligned and compressed by an elastic tube 150 shown in section in FIG. 17. The elastic tube forms a casing of the spring type and intended to be evacuated and a radiator, ensuring the positioning of the waveguide and optical elements with proper alignment.

Dans le mode de réalisation représenté, un cylindre élastique 150 est sous formez'un tube cylindrique de section circulaire ayant une enveloppe externe 152 et deux plateaux parallèles et distants 158 disposés longitudinalement et parallèlement à l'axe du cylindre 150. Les plateaux 158 sont disposés sur la longueur du tube 150 à partir d'emplacements qui se trouvent à la périphérie interne de l'enveloppe 152, par des cols correspondants 154. Chaque plateau 158 a deux parois parallèles 156 qui lui sont perpendiculaires afin que des gorges de section rectangulaire permettant le logement et l'alignement de blocs 132 et 134 d'alumine de la structure de guidage d'ondes soient délimitées. Dans un mode de réalisation de l'invention ayant un tube métallique élastique 150 qui peut être facilement fabriqué par extrusion de matières telles que l'aluminium nO 6063-T5 et analogues, les dimensions des différents paramètres représentés sur les figures 17 et 18 peuvent être les suivantes
Références des Dimensions
figures 17 et 18 (mm)
K 12,07 + 0,25
L 9,91 + 0,25
M 3,18 + 0,25
N 9,53 + 0,25
S 0,64 + 0,13
P 31,75 + 0,25
Q 0,89 + 0,13
R 3,18 + 0,25
Par exemple, la distance entre les faces externes opposées des blocs 132 et 134 d'alumine est légèrement su périeure à la distance L avant la mise en place.Ainsi, lors de l'introduction de la structure de guidage d'ondes dans le tube élastique 150, une force de compression est appliquée dans les plans 151 et 153 comme indiqué sur la figure 18, afin que la distance L comprise entre les plateaux 158 augmente et atteigne une valeur permettant ie logement de la structure de guidage d'ondes. Ensuite, la surpression de la force appliquée dans les plans 151 et 153 provoque l'application d'une force de compression entre les plateaux, cette force étant appliquée par l'intermédiaire de la structure de guidage d'ondes et correspondant à une pression comprise entre 1,4.106 et 7.106 Pa. En conséquence, on note que les plateaux 158 assurent l'alignement des blocs d'alumine 132 et 134, en compression, et l'alignement de la totalité de la structure de guidage d'ondes du fait de l'élasticité du tube 150.Celui-ci, non-seulement assure la rigidité de l'ensemble de la tête laser mais encore assure un meilleur contact thermique permettant un effet plus efficace d'évacuation de chaleur.
In the embodiment shown, an elastic cylinder 150 is in the form of a cylindrical tube of circular section having an outer casing 152 and two parallel and remote trays 158 disposed longitudinally and parallel to the axis of the cylinder 150. The trays 158 are arranged along the length of the tube 150 from locations which are at the inner periphery of the casing 152, by corresponding necks 154. Each plate 158 has two parallel walls 156 which are perpendicular to it so that grooves of rectangular section allowing the housing and the alignment of blocks 132 and 134 of alumina of the waveguiding structure are delimited. In one embodiment of the invention having an elastic metal tube 150 that can be easily manufactured by extruding materials such as aluminum 6063-T5 and the like, the dimensions of the various parameters shown in FIGS. 17 and 18 can be the following
Dimensions References
Figures 17 and 18 (mm)
K 12.07 + 0.25
L 9.91 + 0.25
M 3.18 + 0.25
N, 9.53 + 0.25
S 0.64 + 0.13
P 31.75 + 0.25
Q 0.89 + 0.13
R 3.18 + 0.25
For example, the distance between the opposite external faces of the blocks 132 and 134 of alumina is slightly greater than the distance L before the setting up. Thus, during the introduction of the waveguiding structure into the tube 150, a compression force is applied in the planes 151 and 153 as shown in Figure 18, so that the distance L between the trays 158 increases and reaches a value allowing the housing of the waveguiding structure. Then, the overpressure of the force applied in the planes 151 and 153 causes the application of a compressive force between the plates, this force being applied via the waveguiding structure and corresponding to a pressure included between 1.4.106 and 7.106 Pa. As a result, it is noted that the plates 158 ensure the alignment of the alumina blocks 132 and 134, in compression, and the alignment of the entire waveguiding structure of the fact the elasticity of the tube 150. This not only ensures the rigidity of the entire laser head but also ensures a better thermal contact for a more effective effect of heat removal.

Comme indiqué sur la figure 19, les extrémités du tube 150 sont chanfreinées, suivant un angle O avantageusement égal à 450 environ. Cette caractéristique présente l'avantage important d'assurer l'alignement automatique des dispositifs 160 de montage de miroir et les hommes du métier peuvent noter qu'il s'agit d'un avantage im portant de la configuration selon l'invention dans laquelle des surfaces réfléchissantes d'extrémités sont parfois souhaitables. Lorsque le dispositif 160 de montage de miroir est aussi chanfreiné comme indiqué sur la figure 19 8 il peut être facilement raccordé de façon étanche sur l'extrémité du tube 150 par un cordon continu 162 de soudure qui peut être appliqué sur toute la circonférence de ltinterface du dispositif 160 de montage et du tube 150. As shown in Figure 19, the ends of the tube 150 are chamfered at an angle O advantageously equal to about 450. This feature has the important advantage of providing automatic alignment of the mirror mounting devices 160 and those skilled in the art can appreciate that this is an important advantage of the configuration according to the invention in which Reflective surfaces of extremities are sometimes desirable. When the mirror mounting device 160 is also chamfered as shown in Fig. 19, it can be easily sealingly connected to the end of the tube 150 by a continuous weld bead 162 which can be applied over the entire circumference of the interface. of the mounting device 160 and the tube 150.

I1 faut se rappeler que l'invention concerne un laser à gaz à guide d'ondes ayant d'excellentes caractéristiques ainsi que d'excellentes propriétés de rendement, de fiabilité et de durabilité. L'un des perfectionnement porte sur l'excitation longitudinale de la décharge du laser dans une chambre de guide d'ondes convenable contenant un gaz actif. L'excitation longitudinale rend variable l'espacement des électrodes indépendamment de la configuration géométrique de la chambre du guide d'ondes si bien que le rendement est amélioré. En outre, il faut se rappeler qu'un certain nombre de perfectionnements sont destinés chacun à réduire ou supprimer les problèmes posés par les points chauds, se presentant couramment dans les lasers à gaz à guide d'ondes à excitation transversale ou longitudinale, et qui réduisent notablement les caractéristiques des lasers.Ces perfectionnements portent par exemple sur l'utilisation d'une charge capacitive, par mise en oeuvre de configurations originales comprenant l'isolement des électrodes par rapport à la chambre du guide d'ondes, par une matière diélectrique convenable d'espacement telle qu'une céramique ou l'alumine, sur un circuit original de pilotage de longueur et d'impédance caractéristique prédéterminées, et sur l'application réglée de l'énergie d'excitation pendant une période minimale. It should be remembered that the invention relates to a waveguide gas laser having excellent characteristics as well as excellent performance, reliability and durability properties. One of the improvements relates to the longitudinal excitation of the laser discharge in a suitable waveguide chamber containing an active gas. The longitudinal excitation makes the spacing of the electrodes variable independently of the geometrical configuration of the waveguide chamber so that the efficiency is improved. In addition, it should be remembered that a number of improvements are each intended to reduce or eliminate the problems posed by hot spots commonly present in transverse or longitudinal excitation waveguide gas lasers. significantly reduce the characteristics of lasers.These improvements concern for example the use of a capacitive load, by implementation of original configurations comprising the isolation of the electrodes relative to the waveguide chamber, by a dielectric material suitable spacer such as a ceramic or alumina, on an original control circuit of predetermined length and characteristic impedance, and on the controlled application of the excitation energy for a minimum period.

L'invention concerne aussi un perfectionnement supplémentaire dû au tube métallique élastique destiné à loger les structures de guidage d'ondes et comprenant des plateaux parallèles et distants formés dans un tube métallique extrudé et destinés à coopérer par compression avec la structure de guidage d'ondes et à l'aligner. Un tel boîtier tubulaire, constituant un récipient élastique sous vide et un radiateur, assure le positionnement du guide d'ondes et des éléments optiques avec un alignement convenable. The invention also relates to an additional improvement due to the elastic metal tube for accommodating the waveguiding structures and comprising parallel and spaced plates formed in an extruded metal tube and intended to cooperate by compression with the wave guiding structure. and align it. Such a tubular casing, constituting a vacuum elastic container and a radiator, ensures the positioning of the waveguide and optical elements with a proper alignment.

I1 est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre.  It is understood that the invention has been described and shown only as a preferred example and that we can bring any technical equivalence in its constituent elements without departing from its scope.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1. Laser à guide d'ondes, caractérisé en ce qu'il comprend1. Laser waveguide, characterized in that it comprises un dispositif délimitant une chambre allongée dont la section a des dimensions qui conviennent au guidage de la lumière du laser, a device defining an elongated chamber whose section has dimensions that are suitable for guiding the laser light, un gaz actif capable de présenter un effet laser et placé dans la chambre an active gas capable of having a laser effect and placed in the chamber un dispositif destiné à former un champ électrique alternatif dans la chambre afin qu'une décharge d'excitation d'effet laser soit établie dans le gaz, et a device for forming an alternating electric field in the chamber so that a laser effect excitation discharge is established in the gas, and un tube métallique élastique allongé (150) contenant le dispositif délimitant la chambre allongée et coopérant avec ce dispositif, sur toute sa longueur, en le comprimant. an elongated elastic metal tube (150) containing the device defining the elongate chamber and cooperating with this device, over its entire length, by compressing it. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif délimitant une chambre allongée comporte deux blocs distants conducteurs de l'électricité, disposés entre deux blocs (132, 134) non conducteurs de l'électricité, et le tube métallique (150) comporte en outre deux plateaux distants allongés et parallèles (158) dépassant de points opposés de la périphérie interne du tube (150) sur une partie au moins de la longueur du tube, ces deux plateaux étant destinés à loger le dispositif délimitant la chambre allongée par coopération avec les blocs non conducteurs de l'éléctricité (132, 134) en les comprimant.2. Laser according to claim 1, characterized in that the device delimiting an elongated chamber comprises two remote blocks conducting electricity, arranged between two blocks (132, 134) non-conducting electricity, and the metal tube (150 ) further comprises two elongated and parallel spaced apart trays (158) protruding from opposite points of the inner periphery of the tube (150) over at least a portion of the length of the tube, these two trays being intended to house the device defining the elongated chamber by cooperating with the non-conductive blocks of the electricity (132, 134) by compressing them. 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des plateaux parallèles (158) possède des parois (156) sensiblement perpendiculaires aux plateaux et destinées à délimiter une gorge rectangulaire dont la largeur est pratiquement égale à celle des blocs non conducteurs de l'électricité (132, 134) afin que ceux-ci soient alignés automatiquement.3. Laser according to claim 2, characterized in that each of the parallel plates (158) has walls (156) substantially perpendicular to the plates and intended to define a rectangular groove whose width is substantially equal to that of the non-conductive blocks of the electricity (132, 134) so that they are automatically aligned. 4. Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube métallique élastique (150) est destiné à subir une force de compression le long d'un plan (151, 153) qui est sensiblement parallèle aux plateaux (158) afin que la distance séparant les plateaux parallèles (158) soit temporairement accrue sans modification de leur parallélisme et sans déformation des gorges rectangulaires. 4. Laser according to claim 3, characterized in that the elastic metal tube (150) is intended to undergo a compressive force along a plane (151, 153) which is substantially parallel to the plates (158) so that the distance separating the parallel plates (158) is temporarily increased without changing their parallelism and without deformation of the rectangular grooves.
FR8020423A 1979-09-24 1980-09-23 Gas laser waveguide structure - has chamber defined by spaced conductive blocks sandwiched between insulating blocks with surrounding metal tube Withdrawn FR2466118A1 (en)

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