FR2529401A1 - Laser impulsionnel a vapeurs de substances et procede d'alimentation dudit laser - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA TECHNIQUE DU LASER. LE LASER FAISANT L'OBJET DE L'INVENTION EST DU TYPE COMPRENANT UN TUBE DE DECHARGE DANS LE GAZ POURVU D'UNE ISOLATION THERMIQUE ET D'UN ELEMENT CHAUFFANT ET RENFERME DANS UNE ENVELOPPE ETANCHE AU VIDE, DES ELECTRODES SITUEES DANS LE TUBE DU LASER, UN CIRCUIT D'ALIMENTATION CONNECTE AUX ELECTRODES ET COMPRENANT UNE SOURCE D'ALIMENTATION IMPULSIONNELLE ET UNE INDUCTANCE EN PARALLELE AVEC LES ELECTRODES, ET EST CARACTERISE EN CE QUE L'INDUCTANCE 3 EST BOBINEE DIRECTEMENT SUR LE TUBE 1 DU LASER ET REMPLIT LA FONCTION D'ELEMENT CHAUFFANT, ET QUE, EN PARALLELE AVEC CETTE INDUCTANCE, EST MONTEE UNE SOURCE D'ALIMENTATION SUPPLEMENTAIRE. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AUX LASERS A VAPEURS DE SUBSTANCES A PUISSANCE MOYENNE ELEVEE, A GRAND DIAMETRE DU CANAL DE DECHARGE DANS LE GAZ.

Description

La présente invention concerne les lasers à gaz et a notamment pour objet un laser impulsionnel à vapeurs de substances, ainsi qu'un procédé d'alimentation dudit laser.

De tels lasers peuvent être utilisés dans les domaines nécessitant l'emploi de lasers à vapeurs de substances à puissance moyenne élevée, à grand diamètre du canal de déchange dans le gaz, à rendement élevé, à fréquence de répétition des impulsions allant de quelques parties fractionnaires de Hz à plusieurs centaines de kHz, en particulier en médecine, en holographie, pour l'explora- tion de l'atmosphère, etc.

On connait un laser impulsionnel à vapeurs de substances, dont l'alimentation est basée sur le principe de 1' "autochauffage" de la partie active du tube de décharge dans le gaz du laser par dissipation de énergie apportée à la décharge (voir la revue "Kvantovaja electronika", 1975, v. 2, p. 159). Ce laser comprend un tube de laser en un matériau étanche au vide, des électrodes renfermées dans un thermo-isolateur cylindrique sans liaison par le vide avec le tube, et un circuit d'alimentation impulsionnelle, par exemple un circuit comportant une capacité "renforçante" contenant deux condensateurs, dont l'un est branché en parallèle avec les électrodes du laser, et l'autre, en série, ainsi qu'une inductance reliant électriquement les électrodes entre elles.

La dépendance directe entre la température de la partie active du tube de laser et l'énergie appliquée pour la décharge destinée à exciter le milieu actif du laser par unité de temps ne permet le fonctionnement du laser que dans un intervalle très étroit de fréquence de répétition des impulsions de génération, définie par la plage de températures rendant possible la génération. De plus, une telle dépendance rend impossible l'optimisation de l'impulsion d'excitation pour l'obtention d'une extraction maximale d'énergie, et diminue donc notablement le rendement du laser. La puissance commutable par un thyratron (ou par un autre type de commutateur, par exemple un thyristor) est limitée, et de ce fait, le temps nécessaire à la mise du laser au régime de travail est important(généralement
~ 30 minutes).

On connaSt aussi un laser (voir la revue "Appareils et techniques d'expérimentation", 1974, N 1, p. 160) dans laquelle le tube de laser, fait en une ceramique étanche au vide et comportant des électrodes, est placé dans un four cylindrique concentriquement à ce four, le tube de décharge dans le gaz et la partie intérieure du four étant séparés par un espace d'air. Une fois atteinte la température de fonctionnement, le laser est alimenté simultanément par deux sources d'alimentation.

L'une de ces sources est reliée au four par l'intermédiaire d'un transformateur de chauffage, la seconde est une source d'alimentation impulsionnelle et est reliée aux électrodes du tube par l'intermédiaire d'un circuit à capacité "renforçante" comportant deux condensateurs, dont l'un est en parallèle avec les électrodes du tube de laser, et l'autre, en série, ainsi qu'une inductance reliant les électrodes entre elles.

Dans ce laser, le chauffage de la partie de travail du tube de laser et l'excitation du milieu actif sont autonomes, ce qui permet d'optimiser l'impulsion d'excitation pour obtenir une extraction maximale d'énergie et, donc, pour élever le rendement de l'énergie apportée à la décharge. En outre, une telle conception du laser et de son procédé d'alimentation permet le fonctionnement en régime de répétition des impulsions dans une plage de quelques parties fractionnaires de Hz à des centaines de kHz.

Toutefois, cette conception de laser ne présente pas une fiabilité suffisamment élevée, vu le risque de claquage entre les électrodes et l'élément de chauffage/ entrainant une dégradation de l'étanchéité au vide du tube de laser et une défaillance de ce dernier.

Par ailleurs, l'utilisation du four rend plus difficile l'exploitation du laser et augmente son cotit.

La présence d'un espace d'air et de la paroi dans la partie intérieure du four provoque une diminution de l'énergie de chauffage de la partie de travail du tube de laser, ce qui éntraSne à son.tour une baisse du rendement global de l'installation.

On connaît en outre un laser (voir le brevet français NO 1.535.445, 1968, cl. int. HOIRS) comprenant un tube de laser métallique remplissant la fonction de l'une des électrodes, la deuxième électrode étant alors constituée par un fil métallique tendu suivant l'axe du tube de laser.

L'élément de chauffage est réalisé sous forme d'une spirale en fil métallique revêtu d'une couche électriquement-isolante conservant ses propriétés aux hautes températures (au-dessus de 1000 C), ladite spirale étant enroulée directement sur les parois métalliques du tube de laser et étant située sous une couche thermoisolante. Comme précédemment, le laser est alimenté à partir de deux sources, dont l'une est reliée à travers un transformateur de chauffage à l'élément de chauffage, et l'autre, impulsionnelle, est reliée aux électrodes par l'intermédiaire d'un circuit d'alimentation comportant, par exemple, une capacité "renforçante".

Une telle conception du laser et un tel procédé d'alimentation de celui-ci permettent d'éviter les pertes d'énergie dues au chauffage de la partie de travail du tube de décharge dans le gaz, vu que l'élément de chauffage est placé directement sur le tube de laser, ainsi que de ne pas utiliser un four et d'atteindre rapidement le régime de fonctionnement.

Le maintien de la température de fonctionnement indépendamment des paramètres de l'excitation impulsionnelle du milieu actif permet de choisir les paramètres optimaux de l'impulsion d'excitation en vue d'obtenir un prélèvement d'énergie et un rendement maximaux du laser de conception considérée, ainsi que d'assurer le fonctionnement du laser dans une large plage de variation de la fréquence de répétition des impulsions de génération.

Toutefois, par suite de la disposition concentrique des électrodes, la conception considérée du laser ne permet pas d'utiliser entièrement le volume excité, ce qui diminue la puissance moyenne du rayonnement laser et empêche l'obtention d'une excitation uniforme suivant tout le volume utile, vu la grande irrégularité du champ électrique en section transversale, ce qui diminue l'extraction d'énergie et le rendement du laser considéré.

De plus, il est difficile d'engendrer une décharge uniforme le long de l'axe du tube de laser sur une grande longueur, étant donné la formation d'arcs, surtout aux puissances d'alimentation élevéés, ce qui limite les possibilités d'obtention de grandes puissances moyennes.

En outre, il est difficile de fabriquer une spirale conforme aux exigences mentionnées, et l'endommagement de la couche isolante de la spirale conduit au percement de l'espace séparant la spirale de la paroi métallique du tube de laser servant d'électrode de ce tube.

L'invention vise par conséquent un laser impulsionnel à vapeurs de substances, dans lequel, tout en utilisant, pour chauffer le tube, une tension de chauffage et une excitation impulsionnelle , - 1 'éventualité d'un claquage entre les électrodes du tube de laser et l'élément de chauffage serait exclue, ledit laser étant en outre simple à fabriquer, ainsi qu'un procédé d'alimentation qui permettrait d'augmenter l'énergie de sortie et le rendement du laser.

Ce problème est résolu à l'aide d'un laser à vapeurs de substances, du type comprenant un tube de décharge dans le vide pourvu d'une isolation thermique et équipé d'un élément de chauffage renfermé dans une enveloppe étanche au vide, des électrodes disposées dans le tube du laser, un circuit d'alimentation relié aux électrodes, constitué par une source d'alimentation impulsionnelle et une inductance connectée en parallèle avec les électrodes, ledit laser étant caractérisé, selon l'invention, en ce que l'inductance est bobinée directement sur le tube de laser et remplit la fonction d'un élément de chauffage, une source d'alimentation auxiliaire étant montée en parallèle avec ladite inductance.

Le problème exposé plus haut est aussi résolu à l'aide d'un procédé d'alimentation du laser impulsionnel à vapeurs de substances conforme à l'invention, du type consistant à effectuer le chauffage du tube en appliquant simultanément une tension de chauffage à l'élément de chauffage et des impulsions d'excitation aux électrodes du tube de laser, ledit procédé étant, selon l'invention, caractérisé en ce que la tension de chauffage est une tension sinusordale et qu'on applique les impulsions d'excitation aux moments où la tension de chauffage est nulle, tout en respectant les conditions suivantes

où k) est la pulsation ou fréquence cyclique de la
tension sinusoSdale;
k est un nombre entier positif;
f est la fréquence de récurrence des impulsions
d'excitation;;
UO est l'amplitude de la tension sinusoidale;
U1 est-la tension d'entretien de la décharge d'arc
dans le milieu actif du laser;
10 est l'amplitude du courant sinusoidal passant par
l'élément chauffant (inductance);
P est la puissance nécessaire pour porter le tube
de laser à la température de fonctionnement du
laser;
n E est la partie de l'énergie de l'impulsion
d'excitation dissipée sous forme de chaleur.

Afin de prévenir, dans le tube du laser, l'apparition d'une décharge d'arc entre les électrodes, pouvant être engendrée par une tension appliquée à l'inductance en vue de chauffer le tube à décharge dans le gaz au cas où l'amplitude de la tension dépasserait ou serait égale à la valeur de seuilprovoquant l'amorçage de la décharge d'arc par l'impulsion d'excitation, on peut disposer les électrodes dans la zone froide du tube de laser et les fabriquer en un matériau pour lequel la valeur du travail d'extraction des électrons est élevée.

Le laser selon la présente invention présente une haute fiabilité vu l'absence du risque de claquage entre les électrodes et élément de chauffage grâce au fait que l'inductance remplissant la fonction de l'élément de chauffage est reliée électriquement aux électrodes du tube de laser. Le laser est de construction simple : le tube de laser et l'isolateur thermique se trouvent dans une enveloppe étanche au vide, l'alimentation de l'élément de chauffage et l'application des impulsions d'excitation n'exigeant que deux bornes, dont chacune est commune à l'une des électrodes et à l'une des extrémités, reliée à celle-ciade l'inductance remplissant la fonction de 1 'élément de chauffage.

Le laser selon l'invention permet de travailler dans une large gamme de fréquences de répétition des impulsions de rayonnement laser, ainsi que d'employer des tubes de laser ayant un grand diamètre ( ~ 100 mm et davantage) et une grande longueur, ce qui permet d'obtenir des puissances moyennes élevées du rayonnement laser (de l'ordre de quelques centaines de watts pour les lasers à vapeurs de métauxj.

Le laser proposé et son procédé d'alimentation permettent d'obtenir un haut rendement (jusqu'à 3% pour le laser à vapeursde cuivre), et ce, grâce à la possibilité d'optimiser les paramètres de l'IMpulsion d'excitation et la fréquence de répétition des impulsions d'excitation dans le but d'obtenir un prélèvement d'énergie et un rendement les plus élevés possibles à une température optimale constante dans la partie utile du tube à décharge dans le gaz maintenue par l'élément chauffant.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels
- la figure 1 représente le laser impulsionnel à vapeurs de substances conforme à l'invention, en coupe longitudinale;
- la figure 2 montre le même laser, mais avec les électrodes déplacées dans la zone froide du tube de laser;
- la figure 3 représente le schéma électrique du laser de la figure 1;
- la figure 4 représente les oscillogrammes de la tension de chauffage et des impulsions d'excitation, illustrant le procédé d'alimentation du laser.

Le laser impulsionnel à vapéurs de substances de la figure 1 comprend un tube de décharge dans le gaz 1, muni d'unisolateur thermique 2, et une inductance 3 bobinée directement sur le tube 1, celui-ci étant placé dans une enveloppe 4 étanche au vide. Les électrodes 5, 6 du laser sont renfermées dans le tube de laser 1 et ont des sorties respectives 7, 8, constituant aussi celles de l'inductance 3.

La substance active 9 se trouve dans le tube de laser: 1.

Le laser a des fenêtres de sortie 10, 11 pour l'extraction du rayonnement laser et une chemise d'eau de refroidissement 12 embrassant le tube 1.

Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 2, les électrodes 13, 14 se trouvent dans la zone froide 15 du tube de laser 1. La température dans la zone froide 15 est inférieure à celle régnant dans la partie active 16 du tube 1 et ne dépasse pas 3000C. La liaison électrique de l'inductance 3 avec les sorties 7, 8 est réalisée par l'intermédiaire des extrémités 17, 18 de l'inductance 3, qui, dans la variante considérée, est raccourcie et ne sort pas des limites de la partie utile 16 du tube 1.

Le schéma électrique du laser de la figure 3 comprend une source d'alimentation supplémentaire 19 (source de tension de chauffage) connectée en parallèle avec l'inductance 3 templissant la fonction d'un élément chauffant; le tube de laser 1 comportant les électrodes 5, 6, une capacité électrique 20 en parallèle avec les électrodes 5, 6 du tube de laser 1, une capacité 21 en série avec les électrodes 5, 6,et un commutateur 22, ici un thyratron.

Sur les oscillogrammes des figures 4a, b, c, le temps t est porté sur l'axe des abscisses, et l'amplitude U de la tension, sur l'axe des ordonnées.

Le laser impulsionnel à vapeurs de substances fonctionne de la façon suivante.

Le tube de laser 1 (figure 1) étant rempli d'un gaz tampon (Ne) et les bornes 7 8 de l'inductance 3 étant connectées à la source 19 (figure 3) de tension de chauffage, le tube de laser 1 (figure 1) est chauffé jusqu'à la température de fonctionnement correspondant à la pression optimale des vapeurs de la substance de travail 9. Puis on-applique à la capacité 21 (figure 3) reliée en série aux électrodes 5, 6 une haute tension redressée positive pour la formation d'une impulsion d'excitatibn pour charger la capacité 21 à travers l'inductance 3 (figure 3) jusqu'à la tension U. le commutateur 22 reçoit une impulsion de commande qui le débloque.

Il se produit ensuite une recharge de la capacité 21 connectée en série aux électrodes 5, 6 par l'intermédiaire du commutateur 22 débloqué vers la capacité 20 connectée en parallèle avec les électrodes 5, 6, cette dernière se déchargeant à travers le volume de décharge dans le gaz du tube 1. Ceci a pour effet d'exciter les atomes de substance de travail 9, ce qui provoque l'apparition d'un rayonnement laser dont l'extraction s'effectue à travers les fenêtres 10, 11.

La valeur de l'inductance 3 est choisie de manière que le temps de décharge de la capacité 20 figure 3) dépasse celui de développement de la décharge dans le tube de laser 1.

En cas d'amorçage, par l'impulsion d'excitation, d'une décharge d'arc entre les électrodes 5, 6, lors de l'application à l'inductance 3 d'une tension de-chauffage dont l'amplitude dépasse ou est égale à la tension d'entretien de l'arc dans le milieu utile, on peut utiliser le laser de la figure 2. Dans ce cas, le fonctionnement du laser est analogue à celui qu'on vient de décrire, mais le fait que les électrodes 13, 14 (figure 23 sont disposées dans la zone froide 15 du tube de laser 1, où la température du tube 1 est plus basse que dans la partie active médiane 16, ainsi que le fait que les électrodes 13, 14 sont fabriquées en un matériau pour lequel le travail d'extraction des électrons est plus élevé, accroissent la tension de la décharge d'arc, de sorte que l'impulsion d'excitation ne peut amorcer une décharge d'arc.On fabrique les électrodes 13, 14 en un matériau pour lequel le travail d'extraction des électrons est supérieur à 4 eV, par exemple en tantale ou en molybdène (le travail d'extraction des électrons de ces matériaux est égal à 4,3 eV).

Si l'amplitude de la tension appliquée à l'inductance 3 (figure 7) et correspondant au chauffage de la partie active du tube à décharge dans le gaz 1 comprise entre les électrodes 5, 6 jusqu'aux températures de travail est si grande que le fait que les électrodes 13, 14 soient situées dans la zone froide 15 et qu'elles soient fabriquées en un matériau pour lequel le travail d'extraction des électrons est maximal n'entraîne pas la disparition de la décharge d'arc, il est avantageux de recourir à la variante de réalisation du laser représenté sur la figure 1, en l'alimentant conformément à l'invention.

La source 19 de tension de chauffage est alors une source de tension sinusoidale, les impulsions de commande étant appliquées au commutateur 22 de manière que les moments de décharge de la capacité 20 coïncident avec les valeurs nulles de la tension de chauffage, tout en respectant les conditions suivantes

où w est la pulsation ou fréquence cyclique de la
tension sinusoldale;
k est un nombre entier positif;
f est la fréquence de répétition des impulsions
d'excitation;
UO est l'amplitude de la tension sinusoidale;
U1 est la tension de maintien de la décharge d'arc
dans le milieu actif du laser;
o est l'amplitude du courant sinusoïdal circulant
dans 1 'élément chauffant;;
P est la puissance nécessaire pour chauffer le tube
de décharge dans le gaz du laser jusqu'à la
température de travail;
aE est la partie de l'énergie de l'impulsion
d'excitation dissipée en chaleur.

L'impulsion d'excitation peut alors être appliquée à chaque moment où la tension de chauffage est nulle (figure 4a), ou à chaque deuxième moment où la tension de chauffage est nulle (figure 4b), ou à chaque troisième moment où la tension de chauffage eSt nulle (figure 4c), etc, cela permettant de varier d'une façon discontinue la fréquence de répétition de rayonnement laser.

Le procédé proposé d'alimentation du laser prévient l'apparition d'une décharge d'arc lorsqu'on applique l'impulsion d'excitation, du fait que l'amplitude de la tension appliquée à l'inductance 3 est nulle au moment de l'application de l'impulsion d'excitation, ou bien sa valeur est insuffisante pour le maintien de la décharge d'arc.

Claims (3)

REVENDICATIONS

1.- Laser impulsionnel à vapeurs de substances, du type comprenant un tube ce décharge dans le gaz pourvu d'une isolation thermique et d'un élément chauffant et renfermé dans une enveloppe étanche au vide, des électrodes situées dans le tube du laser, un circuit d'alimentation connecté aux électrodes et comprenant une source d'alimentation impulsionnelle et une inductance en parallèle avec les électrodes, caractérisé en ce que l'inductance (3) est bobinée directement sur le tube (1) du laser et remplit la fonction d'élément chauffant, et que, en parallèle avec cette inductance, est montée une source d'alimentation supplémentaire (19).

2.- Laser impulsionnel à vapeurs de substances selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes (13, 14) se trouvent dans la zone froide (15) du tube (1) du laser et sont constituées d'un matériau pour lequel la valeur du travail d'extraction des électrodes est élevée.

3.- Procédé d'alimentation d'un laser impulsionnel à vapeurs de substances, du type amans lequel le chauffage du tube de décharge dans le gaz du laser est réalisé en appliquant simultanément une tension de chauffage à un élément chauffant et des impulsions d'excitation aux électrodes dudit tube, caractérisé en ce que la tension de chauffage est appliquée sous forme d'une tension sinusoldale et que les impulsions d'excitation sont appliquées aux moments où la tension de chauffage est nulle, tout en respectant les conditions suivantes

où est la pulsation de la tension sinusoldale;

k est un nombre entier positif;

f est la fréquence de répétition des impulsions

d'excitation;

UO est l'amplitude de la tension sinusoldale; ;

U1 est la tension de maintien de la décharge d'arc

dans le milieu actif du laser;

10 est l'amplitude du courant sinusoidal circulant

dans 1 'élément chauffant;

P est la puissance nécessaire pour chauffer le

tube du laser Jusqu'à la température de travail; #E est la partie de l'énergie de l'impulsion

d'excitation dissipée en chaleur.