FR2472291A1 - Procede et dispositif de decharge a declenchement par faisceau electronique pour lasers pulses a vitesse de repetition elevee - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UN DISPOSITIF PERMETTANT D'EXCITER UN GAZ LASER PAR APPLICATION D'UNE TENSION PULSEE DANS LE GAZ, APRES QUOI UN FAISCEAU ELECTRONIQUE ENERGETIQUE PULSE EST ENVOYE DANS LE GAZ AFIN DE DECLENCHER UNE DECHARGE APPROPRIEE A L'EXCITATION LASER. PLUS PRECISEMENT, LE DISPOSITIF COMPREND UN VOLUME 11 DE DECHARGE DE GAZ, UN RESEAU 18 DE STOCKAGE ET DE DECHARGE D'ENERGIE ELECTRIQUE A FAIBLE INDUCTANCE PERMETTANT DE FAIRE CROITRE LA TENSION JUSQU'A 40KV EN UNE DUREE T COMPRISE ENTRE 1MS ET 1MS, LA DECHARGE DE L'ENERGIE POUVANT S'EFFECTUER EN UNE DUREE T INFERIEURE A 40NS, DEUX ELECTRODES 13A, 13B PLACEES DANS LE VOLUME DE DECHARGE, UNE SOURCE DE TENSION VARIABLE DANS LE TEMPS POUVANT PRODUIRE UN CHAMP ELECTRIQUE UNIFORME D'AU MOINS 20KVCM ENTRE LES ELECTRODES EN UNE DUREE DE L'ORDRE DE T, ET UN MOYEN 19 PRODUCTEUR DE FAISCEAU ELECTRONIQUE PRODUISANT DES IMPULSIONS D'UNE DENSITE DE COURANT COMPRISE ENTRE 0,1 ET 1,0ACM ET DE DUREE SUPERIEURE A 10NS. L'INVENTION AMELIORE LES TECHNIQUES DE TRAITEMENT DE PUISSANCE ET S'APPLIQUE A LA COMMANDE DE LASERS A HALOGENURES DE GAZ RARES A DES VITESSES DE REPETITION ELEVEES.

Description

La présente invention concerne les dispositifs à

décharge électrique et faisceau électronique pour lasers pulsés.

Les lasers pulsés qui fonctionnent dans la région visible et la région ultraviolette du spectre ont des applications potentielles dans le domaine de la séparation isotopique et de la

photochimie. Les lasers à halogénure de gaz rare (RGR) et à exci-

tation de gaz rare (RGE), ainsi que les lasers à halogénure de mercure, sont des exemples de tels lasers. Certaines de ces applications nécessitent des lasers fonctionnant à des vitesses de répétition élevées pour des impulsions brèves et des énergies

par impulsion modestes. Des paramètres typiques de telles applica-

tions sont des énergies de 0,1 à 1,0 J par impulsion pour des vitesses de répétition comprises entre 1 et 10 kHz, avec des durées d'impulsion de 20 à 100 ns. Une combinaison souhaitable pour ces paramètres correspond à des puissances moyennes de sortie de 0,1 à 1 kW. Des lasers présentant des valeurs appropriées pour la largeur d'impulsion et l'énergie par impulsion ont été mis en

oeuvre, mais ils fonctionnent actuellement à des vitesses de répé-

tition d'impulsion relativement faibles et à des puissances moyennes basses. La réalisation de ces lasers est actuellement limitée par

l'échauffement du gaz et les effets acoustiques et par l'inadéqua-

tion des dispositifs de traitement de puissance. Il est possible d'obtenir des puissances moyennes supérieures en augmentant la vitesse de répétition d'impulsion par l'application d'un courant convecteur de refroidissement par gaz, d'un amortissement

acoustique et de techniques perfectionnées de traitement de puis-

sance. La mise en oeuvre au plan économique de lasers RGR présen-

tant des vitesses de répétition élevées et des puissances moyennes

élevées est conditionnée par la fiabilité et le cot des dispo-

sitifs de traitement de puissance. L'invention décrit une technique d'excitation de laser par décharge conduisant à une amélioration du traitement de la puissance électrique pour des vitesses de répétition élevées de lasers pu&lsés en général et de

lasers de type RGH en particulier.

L'excitation des lasers pulsés de type RGH a été réalisée au moyen de l'une des trois techniques suivantes

excitation directe par faisceau électronique, excitation entre-

tenue par faisceau électronique et décharge électrique d'impulsion brève. Ces techniques ont également été utilisées pour exciter divers autres lasers (lasers à CO, C02, Xe2, N2, etc.), et on dispose d'abondants commentaires scientifiques sur ces excitations. Les aspects généraux des procédés utilisant un faisceau électronique ou l'entretien par un faisceau électronique ont été discutés dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3.641.454 déposé par B. Krawetz. Dans Applied Physics Letters, Vol. 28, page 581 (1976), J. Daugherty et al, décrit le procédé d'entretien par faisceau électronique appliqué aux lasers à C02; l'excitation entretenue par faisceau d'un laser à Xe2 est décrite par E. Huber, et al, dans I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-12, page 353

(1976).

L'excitation par faisceau électronique des lasers de type RGH a d'abord été discutée par Searles et Hart dans Applied Physics Letters, Vol. 27, page 243 (1975) et par Ewing et Brau dans Physical Review A, Vol. 12, page 12 (1975). Mangano et al, dans Applied Physics Letters, Vol. 27, page 495 (1975) et Vol. 28, page 724 (1976), ainsi que Vol. 29, page 426 (1976), ont décrit l'excitation de lasers RGH par pompage de décharge commandé par faisceau électronique,et l'excitation de lasers RGH par décharge d'impulsion brève a été d'abord décrite par Burnham et al, dans Applied Physics Letters, Vol. 29, page 86 (1976). Nighan, dans I.E.E.E. Jour. of Quantum Electronics, Vol. QE-14, page 714 (1978), passe en revue le domaine deslasers RGH commandés par faisceau électronique. Ces différentes approches ont à la fois des avantages et des inconvénients dans le cas d'un fonctionnement à vitesse de répétition élevée. Dans la technique d'excitation directe par faisceau électronique, l'excitation du laser est produite par le passage d'un faisceau électronique de haute tension dans un feuillet métallique mince et dans le gaz, le faisceau électronique produisant une ionisation qui amène finalement l'excitation du laser. Le faisceau électronique est la seule source d'énergie de la décharge, et la densité de courant du faisceau électronique doit être relativement élevée pour produire un dépôt de puissance suffisant pour exciter le laser. De façon typique, des densités de courant de faisceau électronique supérieures à 10 A/cm2 pour des tensions de quelques centaines de kilovolts sont nécessaires pour l'excitation de lasers RGH à des pressions de quelques atmosphères, sur la base des considérations suivantes. Un gain du milieu laser de 0,01 à 0,05 cm 1 nécessite un dépôt de puissance de E = 5/6 à 10/e kW/cm3 D o C est le rendement du laser; pour t 0,1 (caractéristique des lasers RGH), un gain ED compris entre 50 et 100 kW/cm nécessite une densité de courant Jb = 10 A/cm2

On obtient couramment des densités de courant électro-

nique de cet ordre au moyen de canons électroniques à cathode froide. Chaque surface émettrice de la cathode est chargée par impulsions jusqu'à une tension de l'ordre de 300 keV, et des électrons sont émis par un plasma se formant ultérieurement au voisinage de la surface de la cathode. L'échauffement du feuillet constitue une limitation principale pour la fréquence maximale de répétition des impulsions dans un milieu excité uniquement par faisceau électronique, car l'électron d'un faisceau électronique peut déposer une proportion notable de son énergie cinétique dans le feuillet avant de pénétrer dans le volume gazeux. Une fois que le faisceau est entré dans le volume du gaz cible, le faisceau perd environ 30 eV pour produire un ion, et chaque ion produit potentiellement un photon laser de 5 eV lors d'une recombinaison électron-ion; ceci représente une perte de rendement de l'ordre de six à un. D'autres pertes résultent de la tendance des gaz rares, des molécules d'halogénure et de certains ions (Ar2, F etc.) produits par la décharge d'absorber le rayonnement dans l'ultraviolet. Les électrons peuvent également diffuser hors du volume utile. Il s'ensuit que des rendements généraux d'environ 6%

sont possibles pour des lasers RGH pompés par des faisceaux élec-

troniques; dans les lasers de type RGE, l'auto-absorption limite

le rendement global à une valeur au plus égale à 1% environ.

24722e1' L'emploi de la technique d'excitation par faisceau électronique pour lasers à vitesse de répétition élevée est limité par l'échauffement du feuillet constituant la fenêtre, ce qui est propre à cette technique, puisque toute la puissance appliquée à la décharge est fournie par le faisceau électronique. Avec l'augmentation de la vitesse de répétition et de la densité de courant, la température moyenne du feuillet augmente, Pour les matériaux actuels des feuillets et les techniques existantes de refroidissement des feuillets, la densité de courant moyenne du faisceau est limitée à moins de 1 mA/cm environ. Pour un coefficient d'utilisation de 0,1%, qui est caractéristique de quelques applications des lasers à impulsions brèves, la densité de courant maximale est donc limitée par l'échauffement du feuillet à moins de 1 A/cm environ dans les conditions appropriées à un fonctionnement efficace à vitesse de répétition élevée, ce

qui est insuffisant pour exciter directement un laser RGH.

La densité de courant du faisceau électronique néces-

saire pour exciter le laser peut être réduite par l'emploi de techniques d'entretien par faisceau électronique, dans lesquelles on applique une petite tension stationnaire inférieure à la tension de rupture entre deux électrodes immergées dans le gaz qui est excité par le faisceau électronique. L'application d'une puissance supplémentaire à la décharge est obtenue de ce champ électrique d'entretien, mais la densité de courant d'entretien nécessaire est apparemment JB -< 2 A/cm2 (voir l'article de Huber cité ci-dessus). Pour un même dépôt de puissance dans le gaz,

on peut réduire l'entrée de puissance par le faisceau électro-

nique en augmentant la contribution d'entretien. Toutefois, la puissance ajoutée par le faisceau électronique ne peut être réduite à une valeur arbitrairement basse. L'ajout de puissance par le champ d'entretien augmente avec le champ électrique appliqué, mais il existe un champ électrique maximal pouvant

être appliqué sans donner naissance à des instabilités d'ionisa-

tion dans le gaz laser. De plus, le transfert de puissance à

partir du champ d'entretien est lui-même déterminé par les carac-

téristiques électriques de la décharge produite dans le gaz laser par le faisceau électronique. Pour les lasers RGH, les électrons produits par le faisceau électronique sont rapidement éliminés par fixation dissociative à l'halogénure du gaz laser, et la

conductivité électrique de la décharge est réduite proportion-

nellement. Ainsi, dans les lasers RGH, une densité de courant de faisceau électronique relativement élevée est nécessaire pour produire une conductivité suffisante permettant un transfert approprié de puissance à partir du champ d'entretien. Selon une

approche légèrement différente, quelquefois désignée par l'expres-

sion "décharge commandée par faisceau électronique", la densité

électronique peut être amenée à croître par ionisation en ava-

lanche à partir d'une valeur initiale déterminée par le faisceau

électronique. Le degré d'augmentation qui peut être obtenu au-

delà de celui résultant du faisceau électronique seul est limité

par l'apparition d'une instabilité dans le milieu laser, condui-

sant à un arc de resserrement. La réduction de la densité de courant du faisceau électronique qui est obtenue par ces deux techniques n'est pas suffisante pour permettre un fonctionnement à des vitesses de répétition élevées dans les limites imposées

par le feuillet du faisceau électronique.

De simples décharges électriques sont également souvent utilisées pour exciter les lasers RGH. Ces décharges peuvent produire des énergies par impulsion de l'ordre de 1 J et des largeurs d'impulsion de 10 à 100 ns, pour des rendements globaux

de l'ordre de 1%.

Dans la technique antérieure d'excitation des lasers,

il existe trois procédés permettant de créer des décharges élec-

triques diffuses sur une surface importante. Le premier procédé consiste à utiliser de nombreuses électrodes excitées une à uine de façon à produire en parallèle de nombreuses petites décharges indépendantes. Ce procédé se révèle inapproprié au couplage de l'énergie électrique à la décharge et conduit à une décharge dont l'uniformité spatiale laisse beaucoup à désirer. Le deuxième

procédé utilise une source de pré-ionisation telle qu'une étin-

celle qui est déclenchée avant l'application au gaz de la tension de décharge principale; cette source produit une petite densité d'électrons libres dans le gaz. Une impulsion de tension de décharge principale à front de montée aigu est ensuite appliquée entre deux grandes électrodes; si la vitesse de montée de l'impulsion de tension est suffisamment élevée, il est possible de former une décharge diffuse raisonnablement uniforme et de la maintenir pendant un bref moment entre les électrodes. Toutefois,

au bout de quelques microsecondes ou moins, il apparaît un effon-

drement non souhaitable de la décharge qui prend la forme d'une décharge du type arc resserré, si la décharge se trouve aux niveaux utiles. Si la vitesse de montée de l'impulsion de tension est trop faible, il ne se forme pas de décharge diffuse, et le flux de

décharge s'effectue depuis le départ dans des canaux resserrés.

Selon ce procédé, la tension appliquée maximale doit dépasser la

tension de rupture statique de la décharge.

Un troisième procédé de décharge utilise une décharge électrique entretenue par un faisceau électronique, o la source externe d'ionisation (le faisceau électronique) est maintenue pendant toute l'impulsion. Le faisceau électronique commande la puissance appliquée au gaz laser. Une puissance ne se dépose dans le gaz que pendant l'application du faisceau électronique, par

opposition avec le procédé de l'invention o le faisceau électro-

nique n'est utilisé que pour faire démarrer le processus. L'ioni-

sation produite par cette source utilisant le procédé d'entretien est beaucoup plus intense que l'intensité de pré-ionisation

utilisée dans le procédé de pré-ionisation par rayonnement ultra-

violet indiqué ci-dessus, et est en fait si intense qu'elle cons-

titue la source d'ionisation dominante et de commande pendant toute l'impulsion de décharge. La tension de décharge n'a pas à etre suffisamment élevée pour produire une ionisation suffisante dans le gaz pour que la décharge s'entretienne d'elle-même. Les décharges entretenues de l'extérieur telles que celles-ci peuvent être typiquement rendues spatialement plus uniformes et de plus longues durées pour des pressions plus élevées que les décharges auto-entretenues plus simples. Seule une modeste fraction de l'excitation électrique peut être délivrée par les électrons très énergétiques passant dans le feuillet, de sorte que les fréquences de répétition d'impulsion maximales sont potentiellement plus élevées que dans les dispositifs uniquement pompés par faisceau électronique. Toutefois, lorsqu'on utilise un laser RGH, le faisceau électronique doit encore fournir une proportion de 0,2 à 0,4 de l'énergie d'excitation pour maintenir la stabilité de la décharge, si bien que les avantages de cette technique ne sont pas aussi importants que pour d'autres lasers. Pour le laser à C02 de 10,6/um par exemple, l'excitation par faisceau laser nécessaire peut être inférieure à 0,1 fois l'énergie d'excitation

totale fournie.

Les techniques utilisées pour produire des faisceaux électroniques à impulsions brèves et densité de courant élevée ne sont pas adaptées à un fonctionnement à vitesse de répétition d'impulsion élevée. Le faisceau électronique est produit par application d'une haute tension pulsée à une cathode, et les processus d'émission d'électrons tendent à détruire la surface

de la cathode et à modifier ses caractéristiques électriques.

De plus, la production d'impulsions de haute tension nécessite des commutateurs pouvant fonctionner longtemps sous haute tension et puissance moyenne élevée. De tels commutateurs n'existent pas actuellement. Une amélioration sensible des performances de ces dispositifs pourrait être réalisée par une réduction des exigences d'excitation laser par le faisceau électronique. Il existe

plusieurs techniques permettant de produire des faisceaux élec-

troniques à densités de courant faibles, ces techniques permet-

tant également un fonctionnement à vitesse de répétition d'impulsion élevée. Les dispositifs à cathode chaude dotée de grilles et les canons électroniques à plasma en fil sont deux de ces dispositifs. L'invention a pour objet de proposer un procédé de décharge électrique permettant d'exciter un milieu à gain optique de façon à autoriser des vitesses de répétition élevées, de petites densités de courant de démarrage et des durées de vie

accrues pour les appareils de commutation électrique associés.

Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de décharge électrique permettant de réduire la puissance maximale nécessaire, devant ttre délivrée par les circuits électriques

associés, pour exciter un laser.

Un autre but est de réduire l'intensité du faisceau

électronique nécessaire.

Un autre but est de stabiliser la décharge électrique pour des puissances maximales élevées au moyen d'une source de

puissance primaire à faible inductance.

Selon l'invention, il est proposé un procédé dit de décharge déclenchée et un dispositif de mise en oeuvre du procédé

permettant de produire une décharge électrique destinée à l'exci-

tation d'un laser, les conditions de fonctionnement correspondant à un régime de paramètres qui diffère des procédés de la technique antérieure et qui réduit de façon importante les problèmes d'ingéniérie associés à la commutation dans les lasers de type RGH et RGE. Le procédé comprend les opérations consistant à fournir un mélange de gaz rares et de gaz halogènes, présentant une tension d'auto-rupture associée Vdc, dans un volume de décharge dont l'intervalle entre électrodes est d'au moins 1 cm, à appliquer un champ électrique pulsé dans le volume de décharge pendant une durée At, la tension relative au champ électrique associé se trouvant au-dessus de la tension VdC, mais au-dessous de la "tension de rupture d'impulsion transitoire" V t, définie comme étant la tension nécessaire pour amener la rupture à la suite d'une application de cette tension pendant une durée At

(valant dans ce cas quelques microsecondes et entraînant l'iné-

galité Vt 1> VLt> Vdc si At1 < At2), à disposer une électrode d'écran servant à recevoir des électrons énergétiques dans le

volume de décharge, et à produire une impulsion de faisceau élec-

tronique qui passe dans le volume-de décharge, le faisceau élec-

tronique ayant une intensité suffisante pour déclencher une décharge électrique dans le volume de décharge. La tension

augmente jusqu'à une valeur V < V At pendant une durée relative-

ment longue ( At > lus), si bien que la durée de vie du commu-

tateur peut être prolongée jusqu'à 10V cycles, par exemple.

Ce procédé produit une décharge auto-entretenue, mais utilise une impulsion de faisceau électronique d'origine extérieure pour ioniser le gaz et le faire passer d'un état non conducteur à un état conducteur. La source d'ionisation extérieure (faisceau électronique) ne constitue qu'une intervention de déclenchement; elle ne domine ni ne commande le passage de

courant ultérieur, comme c'était le cas pour une décharge entre-

tenue par faisceau électronique selon la technique antérieure.

Après application de l'impulsion de déclenchement selon l'inven-

tion, la décharge s'établit sensiblement comme pour une décharge de préionisation. La tension de décharge principale V < VA t est appliquée avant l'impulsion de déclenchement et est ordinairement plus élevée que la tension de rupture statique Vdc d'une décharge classique. Plusieurs avantages inattendus et importants résultent

de l'invention.

Le procédé et l'appareil associé permettent d'accroître la durée de vie du commutateur de 2 à 3 ordres de grandeur, jusqu'à 10 cycles en allongeant la durée d'établissement de la tension jusqu'à des valeurs de 1/us ou plus et en diminuant la densité de courant voulue pour le faisceau électronique jusqu'à des valeurs aussi basses que 0,1 A/cm. Cette densité de courant du faisceau électronique est d'environ deux ordres de grandeur inférieure à celle nécessaire pour les décharges entretenues par

faisceau électronique selon la technique antérieure.

L'invention permet d'obtenir une décharge déclenchée suivant un nouveau régime de paramètres et par utilisation de gaz

(par exemple de l'argon pur à une pression sensiblement atmosphé-

rique) qui ne peuvent être utilisés fonctionnellement dans les

procédés de la technique antérieure.

Le procédé de l'invention fait appel à des maximas de tension de décharge qui se trouvent en deça de l'amplitude nécessaire pour déclencher la décharge sur la durée associée

(l/us ou plus) dans un dispositif de la technique antérieure.

L'invention permet d'obtenir une fiabilité élevée, des vitesses de répétition élevées et des sources d'énergie de faible coût avec des lasers à halogènes et gaz rares. De tels dispositifs à fiabilité élevée, vitesse de répétition élevée

et faible coût n'ont jamais été réalisés jusqu'ici.

La description suivante, conçue à titre d'illustration

de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 présente un circuit de stockage et de décharge d'énergie utilisé dans la technique antérieure; - la figure 2 est un mode de réalisation de réseau de stockage et de décharge d'énergie selon l'invention; - la figure 3 est une vue simplifiée d'un mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 est une représentation graphique des régimes de paramètres (champ électrique en fonction de la densité de courant du faisceau électronique) utilisés dans différentes approches de la technique antérieure et selon l'invention; - la figure 5 est une représentation graphique de l'augmentation, en fonction du temps, du champ électrique imposé dans le volume de décharge selon l'invention; - la figure 6 est une représentation graphique, en fonction du temps, de la densité de courant (J b) du faisceau électronique et de la densité de courant (J d) de la décharge déclenchée par le faisceau électronique, selon l'invention; - la figure 7 est une représentation graphique de la densité d'électrons libres en fonction du temps et de divers champs électriques (t r) à croissance en rampe selon l'invention; - la figures 8 et 9 sont respectivement, pour des gaz tampons respectivement constitués d'argon et d'hélium, des représentations graphiques du retard (àt d) de la décharge d'impulsion en fonction de la pression de travail dans le volume de décharge; - la figure 10 est une représentation graphique de l'énergie de sortie d'un laser à KrF, (soit E en millijoules), L en fonction de la pression de travail pour différents pourcentages de F2 dans un milieu tamponné par de l'argon; 1l - la figure 11 est une représentation graphique de la densité de courant de décharge en fonction du temps pour un procédé de décharge commandéepar faisceau électronique servant à l'excitation d'un laser halogènes-gaz rares selon la technique antérieure; et - la figure 12 est une représentation graphique du facteur d'augmentation de puissance, (soit EF), de la densité de puissance électrique (P),du gain (g0) relatif aux petits

signaux et du rendement de production (n. d'excitation d'halogé-

nures de gaz rares pour un procédé de décharge commandée par

faisceau électronique servant à l'excitation d'un laser à halo-

génure de gaz rare tel qu'un laser à KrF.

Le laser à halogénure de gaz rare (RGH) peut produire une

puissance moyenne élevée dans la région ultraviolette du spectre.

Les lasers RGH actuellement disponibles fonctionnent à des fré-

quences de répétition d'impulsion basses et à des puissances de sortie moyenne faibles. Il est souhaitable de faire fonctionner ces lasers à des fréquences de répétition élevées et, ou bien, à des puissances moyennes élevées en vue d'applications telles que la séparation isotopique par laser, mais une telle utilisation

est actuellement limitée par les conditions de commutation.

Comme cela a été noté ci-dessus, il existe trois possibilités pour exciter des lasers RGH au moyen de faisceaux électroniques, ou bien, de décharges: (1) excitation directe par faisceau électronique; (2) décharges électriques commandées par

faisceau électronique et excitation entretenue par faisceau élec-

tronique; et (3) décharge électrique par impulsions rapides. Ces techniques diffèrent d'après la manière dont les sources de puissance primaire et, ou bien, secondaire sont appliquées au

volume de gaz laser.

L'invention, à savoir le procédé de décharge déclenchée, utilise une décharge auto-entretenue qui est déclenchée par une

impulsion brève venant d'une source extérieure intense d'ionisa-

tion de façon à faire passer le gaz cible d'un état non conducteur

à un état conducteur.

12 - L'utilité du procédé de décharge déclenchée résulte de certaines caractéristiques spéciales des décharges de laser RGH. Si l'on réalise ces décharges selon le procédé de décharge de pré-ionisation, la puissance de sortie optimale est obtenue lorsque la tension de décharge principale aux bornes du dispositif s'élève rapidement jusqu'à une valeur valant plusieurs fois la tension de fonctionnement statique ou de rupture en courant continu, en une durée de 100 ns ou moins. Des temps de montée en

tension plus longs amènent des décharges de qualité très médiocre.

De plus, les décharges optimales restent dans un état approprié

au fonctionnement du laser pendant des durées très brèves, typi-

quement de l'ordre de 20 à 40 ns seulement pour un dispositif

présentant un intervalle de décharge de 2,5 cm. Ces caractéris-

tiques amènent des problèmes difficiles d'ingéniérie dans les dispositifs de la technique antérieure tels que celui présenté sur la figure 1, qui montre un circuit de décharge typique, Les lasers RGH demandent un courant de décharge de quelques dizaines de kiloampères pour une tension de fonctionnement de quelques

kilovoits, dans le cas de longueurs de décharge ú qui sont typi-

quement de 50 à 100 cm. L'inductance L1 de la boucle présentée sur la figure 1 doit être maintenue à une valeur aussi faible que possible pour permettre le transfert de quantités importantes d'énergie du condensateur de stockage principal Cl à la décharge en une durée de 20 à 40 ns. L'utilisation inévitable de boucles à forte inductance se révèle être générale dans la technique antérieure d'excitation d'un milieu laser commandé par faisceau électroniqua, l'emploi de boucles à faible inductance est un autre trait distinctif de l'invention. Le commutateur S et les connexions qui lui sont associées doivent donc avoir une inductance extrêmement basse, et ceci représente un sérieux problème conceptuel, en particulier lorsque le dispositif doit fonctionner à puissance

moyenne élevée. De façon typique, plusieurs commutateurs paral-

lèles, des éclateurs ou des thyratrons, sont nécessaires pour

maintenir l'inductance L1 de la boucle dans des limites accepta-

bles. On peut augmenter le courant de boucle en élevant la tension présente sur le condensateur Cl; mais un fonctionnement à une

impédance élevée z = < 1 réduit la fraction d'énergie emna-

gasinée dans le condensateur Cl qui est associé à la décharge pendant la période de fonctionnement stable, ceci altérant le rendement et amenant en outre le dépôt indésirable d'un excû5

d'énergie en diverses parties du dispositif à des instants ulté-

rieurs. Urn autre inconvénient de cette approche selon la technique antérieure est que l'impulsion de courant brève utilisée doit passer à travers un commutateur, la durée de vie du commutateur

diminuant fortement lorsque la puissance maximale augmente.

La figure 2 présente une approche, utilisée dans l'invention, qui réduit un grand nombre de ces difficultés. Un condensateur de stockage intermédiaire C2 est couplé à la décharge laser de longueur I de façon à se trouver matériellement aussi près que possible de celle-ci, si bien quel'inductance L2 est aussi petite que cela est possible. Le condensateur de stockage intermédiaire C2 est chargé à partir d'un condensateur de stockage primaire C3 par l'intermédiaire d'un commutateur S1, de sorte que la tension présente sur le condensateur C2 augmente en une durée qui est inférieure au temps de montée de 50 ns toléré par la décharge de laser. Il n'est pas nécessaire que le commutateur

présente une faible inductance comme c'était le cas sur le dispo-

sitif de la figure 1. La brève impulsion de courant qui excite

la décharge laser ne passe dans aucun commutateur.

On considère le circuit de la figure 2, dont le fonc-

tionnement relève d'une partie du procédé de décharge déclenchée.

L'inductance L2 doit toujours être maintenue à une valeur aussi faible que cela est pratiquement possible afin d'assurer un couplage maximal d'énergie à la décharge dans la durée de 20 à 40 ns. Toutefois, le transfert de l'énergie du condensateur de stockage principal C3 au condensateur de stockage intermédiaire C2 se prolonge sur une durée beaucoup plus longue (nominalement de quelques microsecondes), ce qui simplifie grandement les problèmes conceptuels associés au commutateur et à l'inductance L3 et rend possible par exemple l'emploi d'un simple thyratron de taille modeste comme-commutateur. Le condensateur de stockage intermédiaire C2 est chargé à une tension supérieure à la tension de rupture statique de la décharge, mais inférieure à la tension

de rupture transitoire pour des impulsions de l'ordre de la micro-

seconde, soit V L t.

Le problème de la production d'une décharge déclenchée rie s'est pas révélé important antérieurement pour les lasers à C02; ces lasers peuvent supporter des impulsions de décharge beaucoup plus longues (de l'ordre de quelques microsecondes) et ils ne posent pas de sérieux problèmes de conception de commutateur comme c'est le cas pour les lasers RGH à impulsion de durées de l'ordre

de quelques dizaines de nanosecondes.

L'excitation de lasers RGH par la décharge commandée par faisceau électronique a été démontrée dans les articles de Huber et de Krawetz, cités ci-dessus, mais elle présente de sérieuses limitations. La source d'ionisation extérieure doit fournir une proportion importante de l'énergie déposée par unité de volume dans la décharge laser afin de commander ces mélanges gazeux

particuliers. Ces décharges entretenues de l'extérieur dans les -

mélanges gazeux de type dit RGH doivent également être produites

à une densité d'énergie plus petite que les décharges auto-entre-

tenues, ceci afin de maintenir la stabilité. Une densité énergétique

très basse n'est pas souhaitable dans un dispositif pulsé à répé-

tition qui est refroidi par convexion, puisqu'une quantité beaucoup plus importante de gaz doit traverser le dispositif. Des décharges entretenues de l'extérieur maintiennent toutefois une bonne qualité pendant des durées atteignant peut-être la moitié d'une microseconde, - par opposition à l'impulsion de décharge de 20 à 40 ns qui est

obtenue avec les procédés de décharge de la technique antérieure.

L'invention permet d'éviter les limitations indiquées ci-dessus et offre la possibilité d'un fonctionnement à vitesse d'impulsion élevée et à puissance moyenne élevée en utilisant conjointement des caractéristiques de chacune des techniques citées ci-dessus, le fonctionnement s'effectuant suivant de nouveaux

régimes de paramètres physiques conférant des performances amélio-

rées au dispositif de traitement de la puissance électrique. Comme le montre la figure 3, un volume de gaz laser 11 est disposé entre électrodes de décharge laser 13a et 13b, identiques à celles utilisées dans les lasers à décharge classiques. Ces électrodes peuvent être pleines ou poreuses, selon le cas. Le gaz laser peut être maintenu immobile dans le volume 11. Il peut également être prévu un courant de gaz 15, de préférence en déplacement transversal par rapport à l'axe long AA de la décharge, de manière à permettre un refroidissement par convexion du gaz présent dans

le volume 11 et du feuillet 21 associé au faisceau électronique.

Le condensateur C2 de stockage intermédiaire disposé en 17 est chargé à une tension supérieure à la tension de rupture en courant

continu stationnaire et inférieure à la tension de rupture d'impul-

sion transitoire V ât du mélange gazeux particulier utilisé, par une alimentation électrique commutée 18 (réseau de charge en continu ou par impulsions contenant le condensateur C 3) dont le temps de transfert est long par comparaison avec la durée de la décharge; un thyratron S1 ou un ensemble de thyratrons constituent

des commutateurs appropriés à l'alimentation 18.

Une source de faisceau électronique, possédant une cathode 19, une grille 20 de commande de synchronisation, connectée à un dispositif de commande de synchronisation 20' (lui-même connecté au commutateur S 1), et un feuille 21 faisant fonction d'anode, est placée de la manière représentée de façon qu'une impulsion de faisceau électronique puisse être appliquée au volume de gaz 11 à travers l'électrode d'écran 13b. L'intensité du moyen de synchronisation et de commande de faisceau électronique est inférieure aux limites moyennes de puissance imposées au feuillet 21 (soit moins que 1 A/cm environ pour des impulsions de 100 ns à 10 kHz), mais elle est quelque peu supérieure à l'intensité nécessaire à la préionisation d'un laser à décharge classique (c'est-à-dire supérieure à 0, 05 A/cm environ). Dans ces conditions, la décharge est commutée dans un mode d'impédance faible sous l'influence du faisceau électronique et dissipe dans le volume de décharge 11 l'énergie stockée sur le condensateur C2, d'une manière appropriée à l'excitation d'un laser RGH. La plus grande partie de la puissance appliquée provient du circuit de décharge et non du faisceau électronique, mais le faisceau électronique doit pouvoir opérer aux fréquences de répétition

d'impulsion voulues ( C 10 kHz).

Selon un mode de réalisation, la pression régnant dans le volume de gaz 11 est d'environ 700 mm Hg, principalement pour He ou Ar, plus 100 mm Hg pour Kr, plus 3 mm Hg pour F2, dans le cas d'un laser à KrF. Dans un tel gaz, l'autorupture se produit pour un champ statique d'une valeur aussi faible que kV/cm et V' t est e 20 kV/cm. Dans le cas de l'intervalle entre électrodes de 2,5 cm qui est envisagé présentement, la tension doit être maintenue au-dessous de 50 kV par exemple (20 kv/cm). L'écartement entre électrodes est de 2,25 cm, et la tension atteint 40 kV au moment o le faisceau électronique

est appliqué. Les paramètres représentatifs du faisceau électro-

nique sont une énergie de 250 keV et une largeur d'impulsion de 100 ns; le faisceau électronique est émis à travers un feuillet de Mylar aluminisé d'une épaisseur de 25 um à une densité de courant résultante de 0,25 A/cm; et le temps de montée-du courant du faisceau électronique est de 50 ns. La cavité du laser comprend un réflecteur à 100% et un organe de couplage de sortie à 70%, chacun présentant un rayon de courbure de 5 m, et la séparation entre les miroirs étant de 0,8 m. La cellule laser est fermée au moyen de fenêtres de Brewster en CaF2, la longueur de trajet résultante étant de 0,6 m. Le niveau maximal de sortie du rayonnement à X = 2490 A est de 150 millijoules, pour une largeur d'impulsion laser de 20 à 25 ns, bien que de récentes améliorations aient porté ce niveau maximal à une valeur de

600 millijoales.

La figure 4 présente schématiquement, sur un diagramme donnant Le champ électrique E en fonction de la densité de courant

Jb du faisceau électronique, les différentes régions de fonction-

nement de quelques techniques d'excitation électrique de gaz

laser connues. Le procédé de décharge avec pré-ionisation U.V.

demande l'application d'un fort champ électrique, généralement

de 20 à 40 kV/cm, à un milieu qui est déjà partiellement pré-

ionisé ou préconditionné par une impulsion de rayonnement exté-

rieur faible pouvant être délivrée par une source de rayonnement ultraviolet ou une source de faisceau électronique de faible intensité (Jb compris entre 0,1 et 1,0 mA/cm). Selon ce procédé, l'intervalle de temps Z de pré-ionisation du gaz est relativement P long (tp à 10/us), tandis que la période s disponible pour la commutation du champ électrique élevé est relativement courte (t < 100 ns). Ceci exerce des contraintes sur le commutateur et entraîne ordinairement que celui-ci a une durée d'utilisation

brève ( 106 impulsions).

A l'autre extrémité du spectre, on trouve le procédé d'excitation par faisceau électronique ou à entretien par faisceau électronique ne demandant qu'un champ électrique d'intensité modeste, par exemple < C 2 kIcV/cm, mais demandant de grandes

densités de courant (Jb < 10 A/cm2).

A titre de comparaison, les figures 5 et 6 présentent respectivement le comportement, en fonction du temps, de la tension appliquée, de l'intensité d'excitation (pré-ionisation-faisceau électronique) et du courant de décharge résultant pour le procédé de pré-ionisation par ultraviolets et pour le procédé de décharge

déclenchée par faisceau électronique de l'invention.

Selon le procédé de décharge par pré-ionisation par ultraviolets de la technique antérieure (figure 5), on applique une source de pré-ionisation D, puis, après un laps de temps /\t1 > 100 ns, on applique un champ électrique (tension de charge) Q, puis, après un laps de temps Atd < 100 ns, on déclenche un courant de décharge , le courant atteignant sa

valeur maximale après un délai At3 < 50 ns.

Selon le procédé de décharge déclenchée (figure 6), on commence par appliquer un champ électrique (tension de charge) O, puis on applique, au bout d'un temps LSt1 compris entre 1 et 10/us, un faisceau électronique, puis, après un temps Ltd < 50 ns, on commence à faire passer un courant de décharge ce courant atteignant son maximum G après un temps /t3 < 50 ns. Le procédé de décharge déclenchée permet un fonctionnement à une densité de courant de faisceau électronique modeste (.b > 0,1 A/cm), qui est appliquée après la mise en place d'un champ électrique d'une intensité & comprise entre

et 20 kV/cni.Du fait d'un temps relativement long d'établis-

serent du champ électrique compris entre 1 et 10/us (figure 6), on estime que la durée d'utilisation du commutateur S1 de la figure 2 est allongée jusqu'à 108 cycles ou plus. Sur la figure 6,

la conductivité est initialement gouvernée par la densité d'élec-

trons libreEs n produite par le faisceau électronique; mais, e ensuite, la décharge n'est pas commandée par l'intensité possédée

ultérieurement par le faisceau électronique.

La figure 7 présente la croissance théorique, avec le temps, de la densité d'électrons libres n (représentation e semi-logarithmique), selon le procédé de décharge déclenchée, pour différents ensembles de valeurs maximales du champ électrique tr initial croissant en rampe. Le champ électrique de rupture statique Eb(Jb) du gaz laser est de 10 à 20 kV/cm pour un mélange

gaz rares-gaz halogènes sous une pression totale d'environ 1 atmos-

phère (6800 Pascals)pour Jb = 0,25 A/cm. La courbe r = O cor-

b respond au mode d'entretien et la courbe 0 < r ( b correspond à la courbe de limitation par recombinaisons; ces deux courbes montrent une quasi-saturation. Lorsque le champ statique initial tr est égal à b(Jb), les pertes par recombinaisons et les effets d'avalanche s'équilibrent approximativement, si bien que log (n) e croit linéairement avec le temps t. Pour r >Lb(Jd)' les effets d'avalanche peuvent être prédominants depuis le début, auquel cas

log (n) croît plus rapidement que dans le cas précédent (crois- -

e

sance linéaire) et suit une courbe e'; toutefois, si les recom-

binaisons sont initialement dominantes (pour les petites valeurs de n), log (n) peut se trouver initialement en dessous de la e e courbe A croissance linéaire tr =t b(Jd) et ne croît plus vite r b di tn ri lsvt que linéairement (courbe t "r) qu'après que n a atteint une r e certaine valeur de seuil. Il est difficile de déterminer si la quantité log (n) suit une courbe r ou une courbe "r au-dessus

du champ de rupture b = b(Jd).

Sur la figure 8, est représentée une mesure de la façon dont le retard de décharge Atd dépend de la pression totale du gaz laser (principalement Ar) , pour différentes compositions comprenant l'argon Ar comme gaz tampon et Kr + F comme gaz laser constituants. On note que, pour J = 037 A/cm et pour un champ b électrique & 37 kV/cm, le retard de décharge possède la plus grande valeur pour un mélange de 86,5% d'argon, 12,5% de Kr et 1% de F2 et présente sa plus courte valeur (lorsque la pression est de l'ordre de 950 mm Hg) pour un mélange de 87,17% de Ar,

12,5% de Kr et 0,33% de F2. La variation de 6t davec le pourcen-

tage présent de F2 est beaucoup plus petite lorsqu'on utilise l'hélium He comme gaz tampon pour les mêmes valeurs de Jb et de À, comme cela est indiqué sur la figure 9, mais le procédé de décharge

déclenchée permet d'utiliser l'un et l'autre gaz tampons.

L'énergie laser de sortie EL mesurée varie avec la

pression totale du gaz et avec la composition du gaz,comme l'indi-

que la figure 10 qui reprend les proportions de mélange de la figure 8, ainsi que les valeurs des paramètres Jb = 0,37 A/cm2 et 6 37 kV/cm, ainsi que de nombreux autres paramètres tels que les facteurs de réflexion des miroirs. Le niveau énergétique de sortie total du laser n'est apparemment que très peu sensible à la composition du gaz, mais il manifeste une dépendance bien définie vis-à-vis de la pression. L'existence d'un maximum plus large pour un gaz contenant 0,33% de F2 que pour un gaz contenant 1% de F2 est également une caractéristique du niveau énergétique de sortie du laser selon le procédé de pré-ionisation U.V.; mais ce procédé de pré-ionisation ne peut fonctionner avec de l'argon Ar comme gaz tampon. Ainsi, le procédé de décharge déclenchée peut fonctionner avec au moins un mélange de gaz (Kr, F, Ar) pour

lequel le procédé de pré-ionisation ne peut pas.fQnctionner.

L'existence de ce maximum plus large se révèle utile si la pres-

sion totale du système est stochastique et non commandable dans

une étroite bande de pression; mais la pression optimale corres-

pondant à 1% de F2 apparaît pour une plus petite pression (pas 500 mm Hg), ce système nécessitant une moindre énergie pour le recyclage du gaz laser (gaz moins massif) que ce n'est le cas avec le système contenant 0, 33% de F2. La proportion de F2 dans

le gaz restant dans des limites raisonnables, il est donc préfé-

rable d'avoir un pourcentage plus élevé de F2 si l'on prend en

compte principalement l'énergie dépensée pour le recyclage du gaz.

La mise en oeuvre du concept de décharge déclenchée a été expliquée, et les figures 5, 6, 8, 9 et 10 ont été obtenues à partir de données expérimentales. La mise en oeuvre est conforme

aux concepts généraux présentés dans cette description détaillée.

Le procédé de décharge déclenchée peut être mis en oeuvre avec He, Ne ou Ar comme gaz tampons, tandis que, comme on l'a noté ci-dessus, le procédé de pré-ionisation ne peut être mis en oeuvre qu'avec He seulement. Sze, dans Jour. of Appl. Phys. 50, 4596 (1979), a récemment décrit l'effet laser dans XeCl avec He, Ne ou Ar comme gaz tampon au moyen d'une décharge par avalanche électrique. Sze ne traite que les pressions totales de gaz de 1000 à 2500 mm Hg, ce qui correspond à une valeur de 2 à 5 fois

supérieure aux pressions optimales du procédé de décharge déclen-

chée. De plus, le niveau énergétique de sortie du laser selon l'approche de Sze utilisant du néon comme gaz tampon augmente apparemment avec la pression, ce qui indique qu'une pression optimale, si elle existe, n'apparatt qu'à une pression totale très élevée. La pression optimale de tamponnage par l'hélium semble se situer à environ 2300 mmHg dans l'approche de Sze. Pour le procédé de décharge déclenchée,, la pression optimale apparaît à des valeurs très inférieures, par exemple à la pression de 500 mm Hg pour un tamponnage par l'argon, comme cela est indiqué sur la figure 10. De plus, le dispositif laser de Sze nécessite des

densités de courant d'environ 625 A/cm, délivrées sur des inter-

valles de temps de l'ordre de 30 ns, comme cela peut être déduit de son article précédent paru dans Rev. Sci. Instrum. 49, 772

(1978). Un troisième article (Sze et Scott, 33 Appl. Phys. Lett.

419 (1978)) décrit les difficultés qu'il y a à obtenir un effet laser dans les milieux RGH tels que XeCl et KrCl et conclut que

l'obtention d'une réponse laser hautement énergétique est favo-

risée dans les approches par décharge électrique par comparaison

avec l'excitation par faisceau électronique du milieu laser.

Le dispositif utilisé comprenait les éléments généraux indiqués sur la figure 3, à l'exception du fait que le courant de gaz n'était pas prévu. Le mélange de gaz laser

était contenu dans une cellule de Téflon, et des plaques porte-

* électrodes métalliques formaient deux des surfaces de la cellule. Les électrodes avaient une longueur de 30 cm et une largeur d'environ 2 cm. Une électrode a été dotée d'une fente de 1 x 30 cm par laquelle le faisceau électronique pouvait entrer dans le volume de décharge active, cette électrode étant revêtue d'un

écran en treillis fin. La séparation des électrodes était nomi-

nalement de 2,5 cm. Le faisceau électronique a été obtenu à partir d'une source du commerce et ses caractéristiques nominales étaient un courant de faisceau de 10 A/cm à 250 kV pendant une durée de ns. La densité de courant du faisceau a été atténuée avant son entrée dans le volume de décharge par la mise en place d'une série d'écrans en treillis fin derrière l'électrode d'écran. Des densités de courant de faisceau de l'ordre de 250 mA/cm ont été obtenues de façon fiable par ce moyen. Le condensateur de stockage d'énergie intermédiaire C2 était constitué de 30 condensateurs de céramique répartis suivant la longueur de l'électrode, avec une capacité nominale de 500/uF par condensateur a 40 kV. Le réseau de charge d'impulsion comprenait une série de condensateurs d'une capacité de 0,luF/condensateur (C3 de la figure 3) commutés par un éclateur déclenché (S1). Une inductance suffisante L était ajoutée A ce circuit afin de produire des temps de charge pour C2 d'une durée nominale de 5/us, le condensateur primaire C3

étant chargé au moyen d'une alimentation en courant continu.

Le niveau énergétique de sortie du laser a été utilisé comme mesure des performances. La cavité optique était constituée

d'une fenêtre de Brewster et d'un couple de miroirs de réflecti-

vités nominales respectives de 98% et 70%. Le mélange de gaz était constitué de Ar: Kr: F2 dans les rapports 945: 50: 5. En plus d'essais effectués sous ces conditions nominales, on a fait varier les conditions et les éléments constituants de manière à produire

la gamme de fonctionnement potentiel, la sensibilité aux para-

mètres et les conditions d'un fonctionnement optimal de cette configuration particulière de mise en oeuvre de l'invention. Ces

variations sont données dans le tableau ci-après.

Comme cela a été noté ci-dessus, le procédé de décharge commutée produit un effet laser dans un gaz tamponné par He, Ar ou Ne, ou un gaz rare d'un poids atomique supérieur. Ainsi, le fonctionnement d'un laser de type RGE utilisant Ar, Kr ou Xe est possible, bien que ceci n'ait pas encore été démontré expérimentalement. Nighan, dans son article sur l'excitation des lasers

RGH par décharge commandée par faisceau électronique (cité ci-

dessus), note que l'approche de la décharge commandée par faisceau électronique (dite procédé ebcd) semble permettre l'étalonnage à des puissances moyennes supérieures à celles relatives à l'approche du faisceau électronique pur. Un problème posé par l'approche dite ebcde classique est que le rapport E/n du champ électrique à la densité du gaz est limité à des valeurs inférieures à 1,2 x 10 V.cm, pour que soit maintenue une décharge stable pendant des durées de l'ordre de 0,5/us ou plus. Cet état de choses est représenté graphiquement'sur la figure 11, reproduisant la figure 19 de l'article de Nighan cité ci-dessus. Ceci conduit à l'utilisation limitative de champs électriques d'intensité plutôt faible ou de densités élevées, en l'absence de quoi apparaissent des instabilités telles que la formation d'arcs et de décharges irrégulières avant que toute l'énergie utile n'ait pu se déposer

dans le gaz laser. Au contraire, le procédé de la décharge com-

mutée peut être mis en oeuvre avec des champs électriques d'environ 19 -3 kV/cm et des densités de gaz d'environ 2 x î019 cm si bien que le rapport E/n est de l'ordre de 1,5 x 10-, ce qui correspond à un accroissement d'un ordre de grandeur par rapport aux valeurs

pratiques maximales disponibles avec l'approche dite ebcd clas-

sique. Sur la figure 11, le facteur d'accroissement de puissance

EF, défini ci-après, est également indiqué.

Un deuxième problème relatif à l'approche dite ebcd appliquée aux lasers de type RGH est, ainsi que le note Nighan dans l'article cité ci-dessus, la relative petitesse du facteur d'augmentation de puissance EF (soit le rapport de la puissance

de la décharge à l'énergie fournie par le faisceau électronique).

Comme cela est indiqué sur la figure-12, qui reproduit la figure 9 de l'article cité de Nighan, avec l'approche dite ebcd, le facteur EF est sensiblement compris entre 2 et 4 dans la région de stabilité de la décharge. Cet intervalle est bien petit par

comparaison avec les valeurs possibles pour les lasers molêcu-

laires à infrarouge (EF,> 1000) et est une conséquence directe de la haute puissance du faisceau électronique nécessaire pour maintenir la densité électronique a un niveau suffisant en présence des énormes pertes d'électrons dues à la fixation dissociative du dimère halogène (par exemple F2). Dans le procédé de la décharge déclenchée, pour V = 30 kV, Z0 (impédance du gaz au niveau de la décharge) 0,5.Q, E = 10 kv/cm, et Jb 0,1 A/cm, on vérifie que EF = (V /Z M (- dE)e 40 00 I)Ib dx

à l'instant de la décharge ou d'un flux de courant maximal.

Le procédé de décharge déclenchée permet d'obtenir ce niveau de performance en faisant crottre le champ électrique imposé en rampe relativement lente (sur une durée Ait de l'ordre de 1/us) jusqu'à une tension proche de la tension V At de rupture transitoire associée au gaz laser particulier pour cette pression, mais inférieure à VA. Après un temps Èt, un petit courant de faisceau électronique (J compris entre 0,1 et l1O A/cm) est

appliqué au volume de décharge, et la décharge se produit.

L'instabilité potentielle, via la formation d'arcs et de décharges irrégulières dans le gaz, existe toujours, mais elle se produit longtemps après le maximum de densité de courant (soit un temps LSt QJ 50 ns après l'application du faisceau électronique). On obtient ainsi d'énormes valeurs pour le facteur EF, de l'ordre de 40.000, avec le procédé de la décharge déclenchée en retardant

le début de l'entrée en vigueur des instabilités.

Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure

d'imaginer, à partir du procédé et du dispositif dont la descrip-

tion vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nulle-

ment limitatif, diverses modifications et variantes ne sortant pas

du cadre de l'invention.

Intervalle de variation Résultats et comrmentaires 1. Tension de charge 2. Densité de courant du faisceau 3. Temps de charge 4. Mélange de gaz 0-40 kV 0,1-10 A/cm O, 1-10/us F2 0-25 mm Hg Kr 0-200 mm Hg Ar O-1500 mm Hg He 0-1500 mm Hg Xe 0-10 mm Hg HC1 0-5 mm Hg

5. Temps de reposi-

tionnement du courant de faisceau

6. Contour d'élec-

trode 7. Polarité d'électrode 8. Cavité optique 9. Boule de transfert rapide -90%, 50 ns ns Ecran à mailles

ouvertes, inter-

vallesde 0,5 cm du type "arête de poisson" Ecran-anode cathode Réflecteur de sortie 30-70%, miroirs internes, verrouillés par injection Condensateur en titanate de baryum, ligne à

bandes parallè-

les Cu: verre, mica à forte inductance Meilleures performances pour la tension la plus élevée Niveau énergétique du

laser en toutes circons-

tances Pas de variation notable de performance Utilisé dans diverses combinaisons pour des essais sur des lasers à

KrF, Arr, XeF, XeCl.

Résultats optimaux pour KrF avec Ar comme tampon, comme l'indique la figure 10. Résultats optimaux analogues pour les autres

gaz laser.

Pas de variation notable.

Pas de variation notable.

Pas de variation notable.

Pour la cavité optique,

les performances corres-

pondent à ce qui était attendu.

J optimal, bonnes per-

formances de la ligne à bandes parallèles, la forte inductance et la forte capacité tendent

à former des ares.

TABLEAU

Paramètres

Claims (8)

R E V E N D I C A T I 0 N S

1. Procédé d'excitation laser par production de la commutation par décharge électrique rapide répétée d'un gaz laser d'halogénure de gaz rare o un champ électrique est appliqué pendant un laps de temps 1it1 dans un mélange de gaz rares et d'halogènes gazeux présentant une tension d'autorupture statique

associée Vdà dans un volume de décharge ayant un intervalle inter-

électrode d'au moins 1 cm, le procédé étant caractérisé en ce que le champ électrique est un champ électrique pulsé sensiblement

spatialement uniforme dont l'intensité croit pendant son applica-

tion sur le laps de temps à ti, lequel laps de temps est compris entre 1 /us et 1 ms, en ce que la tension associée au champ électrique se trouve au-dessus de Vdc mais au-dessous de la tension transitoire

V At nécessaire pour provoquer la rupture du gaz laser à l'appli-

cation de tension pendant l'intervalle de temps A tl, et en ce que, après que le champ électrique pulsé a été appliqué et a sensiblement atteint sa valeur maximale, une impulsion de faisceau électrique brève produite de l'extérieur est envoyée dans le volume de décharge sous une densité de courant sensiblement comprise entre 0,1 et 1,0 A/cm2 et une durée d'impulsion A t2.> 10 ns qui sont suffisantes pour déclencher la décharge électrique dans le volume de décharge

et produire l'excitation laser.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération consistant à faire passer ledit gaz dans le volume de décharge suivant une direction sensiblement transversale à la direction prédéterminée du champ électrique

sensiblement uniforme.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'opération consistant à faire passer ledit gaz dans le volume de décharge suivant une direction sensiblement transversale à la. direction de déplacement de ladite impulsion de

faisceau électronique.

4. Dispositif permettant la commutation par décharge élec-

trique rapide répétée d'un gaz laser d'halogénure de gaz rare, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend:

24,72291

un volume (11) de décharge de gaz contenant un mélange approprié de gaz rares et d'halogènes gazeux; un réseau (18) de stockage et de décharge d'énergie électrique à faible inductance, comportant un circuit de stockage d'énergie électrique autorisant l'augmentation de la tension jusqu'à 40 kV en une durée Att comprise entre 1 us et 1 ms, et

comportant un circuit de décharge électrique présentant un inter-

valle de décharge électrique disposé dans le volume de décharge de gaz fonctionnellement associé au circuit de stockage d'énergie électrique qui permet la décharge de l'énergie stockée dans le circuit de stockage dans l'intervalle de décharge électrique en une durée tt2 < 40 ns; deux électrodes (13a, 13b) disposées de part et d'autre du volume de décharge de gaz et se prolongeant dans celui-ci, l'intervalle entre les électrodes étant d'au moins 1 cm; une source de tension variable dans le temps, qui est électriquement connectée au couple d'électrodes, afin de permettre d'appliquer un champ électrique sensiblement uniforme d'au moins kV/cm aux bornes de l'intervalle entre électrodes en une durée de l'ordre de - t1; et un moyen (19) de production de faisceau électronique permettant de faire passer un faisceau électronique d'une densité de courant J sensiblement comprise entre 0,1 et 1,0 A/cm2 et

d'une durée d'impulsion Àit > 10 ns d'une électrode à l'autre.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (15) d'écoulement de gaz qui fait s'écouler

le gaz laser dans le volume de décharge à une vitesse subsonique.

6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz laser comporte un gaz tampon de haute pression (.ô500mmHg) tiré du groupe formé de l'hélium, du néon, de l'argon, du krypton

et du xénon.

7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce

que le gaz laser comporte de 0,33 à 1,0% de F2.

8. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réseau de stockage et de décharge d'énergie électrique à faible inductance comprend un premier circuit, possédant un premier condensateur et un deuxième condensateur en série avec un commutateur, et un deuxième circuit adjacent, possédant le premier condensateur en série avec ledit couple d'électrodes du volume de décharge.