FR2554982A1 - Hollow cathode for metal vapour laser and laser applying same - Google Patents
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Abstract
Description
Cathode creuse pour laser à vaPeur-métallique et- laser en faisant application
La présente invention concerne une cathode creuse pour laser à vapeur métallique et un laser en faisant application
De manière générale, on peut classer les lasers à gaz selon deux types de configuration : les lasers de type "à colonne positive" et les lasers à cathode creuse qui utilisent la partie cathodique de la décharge. Ces derniers ont l'avantage de permettre l'excitation des ions à basse tension (300 volts par exemple) et de délivrer une décharge stable à courant élevé (quelques dizaines d'ampères). Les lasers concernés par la présente invention sont des lasers généralement continus mettant en oeuvre des transferts de charge des ions de gaz rares vers le matériau laser proprement dit.Leurs longueurs d'onde d'émission sont dans le domaine de l'ultraviolet, du visible et de l'infrarouge. Dans le cas particulièrement intéressant du "laser blanc", on obtient l'émission simultanée des trois longueurs d'onde primaires.Hollow cathode for metallic and laser-based laser application
The present invention relates to a hollow cathode for a metal vapor laser and a laser using it.
Generally speaking, gas lasers can be classified according to two types of configuration: "positive column" type lasers and hollow cathode lasers which use the cathode part of the discharge. The latter have the advantage of allowing the excitation of ions at low voltage (300 volts for example) and of delivering a stable discharge at high current (a few tens of amps). The lasers concerned by the present invention are generally continuous lasers implementing charge transfers of the ions of rare gases towards the laser material proper. Their emission wavelengths are in the ultraviolet, visible range. and infrared. In the particularly interesting case of the "white laser", the simultaneous emission of the three primary wavelengths is obtained.
On connait des cathodes creuses en forme de cylindre métallique plein présentant une fente longitudinale le long d'une génératrice, ou encore en forme de cylindre métallique creux perforé. Hollow cathodes are known in the form of a solid metal cylinder having a longitudinal slot along a generator, or also in the form of a perforated hollow metal cylinder.
Cette cathode est située avec une anode dans une enceinte longitudinale contenant le matériau laser et fermée à ses extrémités par des fenêtres à transmission optique. This cathode is located with an anode in a longitudinal enclosure containing the laser material and closed at its ends by windows with optical transmission.
L'anode et la cathode sont disposées en regard l'une de l'autre de manière à créer une décharge transversale dans un gaz et une émission laser suivant une direction parallèle à l'axe longitudinal de la cathode et de l'enceinte. The anode and the cathode are arranged opposite one another so as to create a transverse discharge in a gas and a laser emission in a direction parallel to the longitudinal axis of the cathode and of the enclosure.
Des miroirs laser alignés coaxialement avec les fenêtres de l'enceinte ferment la cavité laser. Laser mirrors aligned coaxially with the enclosure windows close the laser cavity.
Pendant le fonctionnement, le milieu laser actif qui est un métal choisi par exemple parmi le cuivre, le cadmium, l'argent ou autre, se trouve dans un réservoir séparé et/ou est déposé sur la cathode. Lorsqu'il est dans un réservoir séparé, il est nécessaire de le chauffer pour le vaporiser. Lorsqu'il est sur la cathode, deux processus peuvent se produire selon la température de la cathode : la vaporisation du métal et/ou la projection d'atomes du métal dans le gaz par suite du bombardement ionique subi par la cathode creuse. C'est ce dernier processus qui apparatt seul, lorsque la température de la surface de la cathode est inférieure à la température de condensation du métal. Les atomes de métal dispersés dans le gaz sont ensuite ionisés par transfert de charge à partir des ions du gaz rare contenu dans l'enceinte (hélium, argon ou autre).Ceci entrain à l'usage, d'une part une usure rapide de la surface de la cathode creuse, et d'autre part des dépôts métalliques sur les parties isolantes de l'enceinte. During operation, the active laser medium, which is a metal chosen for example from copper, cadmium, silver or the like, is in a separate tank and / or is deposited on the cathode. When it is in a separate tank, it is necessary to heat it to vaporize it. When it is on the cathode, two processes can occur depending on the temperature of the cathode: the vaporization of the metal and / or the projection of atoms of the metal into the gas as a result of the ion bombardment undergone by the hollow cathode. It is this latter process which occurs on its own, when the temperature of the surface of the cathode is below the condensation temperature of the metal. The metal atoms dispersed in the gas are then ionized by charge transfer from the ions of the rare gas contained in the enclosure (helium, argon or other). This leads to use, on the one hand, rapid wear of the surface of the hollow cathode, and on the other hand metallic deposits on the insulating parts of the enclosure.
Tous ces phénomènes ont pour conséquence une mauvaise fiabilité du laser. All these phenomena result in poor reliability of the laser.
Pour limiter le transport de métal, on a proposé de refroidir la surface de la cathode de manière que sa température soit proche de la température de condensation de la vapeur métallique, et qu'il en résulte une rétrodiffusion des atomes métalliques vers la cathode. To limit the transport of metal, it has been proposed to cool the surface of the cathode so that its temperature is close to the condensation temperature of the metal vapor, and that this results in a backscattering of the metal atoms towards the cathode.
D'après l'article J. Phys. E : Sci. Instrum. Vol 16, 1983 pages 122, 123, on connatt une structure de cathode creuse associée à un système de refroidissement. Il s'agit d'un tube de cuivre, enroulé en hélice, et susceptible d'entre parcouru par une circulation d'eau. Dans le laser, l'hélice est entourée d'une anode cylindrique et les axes de symétrie de l'hélice et de l'anode sout confondus.According to the article J. Phys. E: Sci. Instrum. Vol 16, 1983 pages 122, 123, we know a hollow cathode structure associated with a cooling system. It is a copper tube, wound in a helix, and capable of being traversed by a circulation of water. In the laser, the helix is surrounded by a cylindrical anode and the axes of symmetry of the propeller and the sustained anode.
Cette cathode présente l'inconvénient d'être difficile à réaliser lorsque l'on souhaite des lasers de grande longueur, supérieure à 60 cm par exemple : on se heurte à un problème d'aplatissement ou d'irrégularités du tube. This cathode has the drawback of being difficult to produce when it is desired to have long lasers, greater than 60 cm for example: there is a problem of flattening or irregularities of the tube.
En outre, un refroidissement efficace sur une grande longueur ne peut être obtenu ; il est nécessaire de mettre en oeuvre plusieurs hélices juxtaposées, alimentées en eau séparément. Furthermore, effective cooling over a long length cannot be obtained; it is necessary to use several juxtaposed propellers, supplied with water separately.
La présente invention a pour but de réaliser une cathode creuse pour laser permettant d'éviter les inconvénients précédents et d'obtenir la stabilité et l'uniformité de la décharge, un rendement satisfaisant et une bonne fiabilité du laser. Elle a également pour but de réaliser, grâce à la cathode creuse précitée, un laser particulièrement simple et compact avec des dimensions inusitées pour le milieu laser actif (par exemple un cylindre de 8 mm de diamètre et de 1 mètre de long). The aim of the present invention is to produce a hollow cathode for laser making it possible to avoid the above drawbacks and to obtain the stability and uniformity of the discharge, a satisfactory yield and good reliability of the laser. It also aims to achieve, thanks to the aforementioned hollow cathode, a particularly simple and compact laser with unusual dimensions for the active laser medium (for example a cylinder 8 mm in diameter and 1 meter long).
La présente invention a pour objet une cathode creuse pour laser à vapeur métallique comportant une pluralité de tubes parallèles entre eux, destinés à être parcourus par un fluide de refroidissement et constitués au moins superficiellement par au moins un métal destiné à réaliser l'effet laser : cuivre, argent, or, cadmium, zinc, mercure, strontium, par exemple. The subject of the present invention is a hollow cathode for a metal vapor laser comprising a plurality of tubes parallel to each other, intended to be traversed by a cooling fluid and constituted at least superficially by at least one metal intended to achieve the laser effect: copper, silver, gold, cadmium, zinc, mercury, strontium, for example.
Selon un mode de réalisation avantageux les tubes sont arrangés régulièrement autour d'un axe, dit "axe de propagation du faisceau laser". According to an advantageous embodiment, the tubes are regularly arranged around an axis, called the "axis of propagation of the laser beam".
Les extrémités des tubes sont fixées de préférence par brasage dans deux supports métalliques percés suivant les axes des tubes et ledit axe de propagation ; il est prévu que la brasure ne déborde pas sur les tubes. The ends of the tubes are preferably fixed by brazing in two metal supports drilled along the axes of the tubes and said axis of propagation; it is expected that the solder does not overflow on the tubes.
Lorsque les tubes sont d'une longueur importante, on prévoit de place en place des bagues de renforcement pouvant être soudées sur les tubes. When the tubes are of considerable length, provision is made for place of reinforcement rings which can be welded to the tubes.
L'invention a également pour objet un laser à vapeur métallique remarquable notamment par le fait qu'il comporte, dans une enceinte remplie d'un gaz rare choisi par exemple parmi l'argon, l'hélium, le néon, une anode reliée à la terre, une cathode creuse alimentée négativement, disposée parallèlement à ladite anode et comportant une pluralité de tubes parallèles entre eux, constitués au moins superficiellement par un métal, choisi par exemple parmi le cuivre, l'argent, l'or, le cadmium, et reliés intérieurement à un dispositif de circulation d'un fluide de refroidissement ; lesdits tubes déterminent un axe de propagation du faisceau laser qui leur est parallèle et sur le trajet duquel sont disposées deux fenêtres de transmission optique fermant ladite enceinte et deux miroirs coaxiaux extrêmes fermant la cavité laser.-
De préférence lesdits tubes sont identiques et régulièrement répartis autour dudit axe de propagation.The invention also relates to a metallic vapor laser remarkable in particular by the fact that it comprises, in an enclosure filled with a rare gas chosen for example from argon, helium, neon, an anode connected to earth, a negative-supplied hollow cathode, arranged parallel to said anode and comprising a plurality of tubes parallel to each other, constituted at least superficially by a metal, chosen for example from copper, silver, gold, cadmium, and internally connected to a device for circulating a cooling fluid; said tubes determine an axis of propagation of the laser beam which is parallel to them and on the path of which are arranged two optical transmission windows closing said enclosure and two extreme coaxial mirrors closing the laser cavity.
Preferably said tubes are identical and regularly distributed around said axis of propagation.
Selon un mode de réalisation avantageux, les extrémités desdits tubes sont brasées respectivement dans deux supports métalliques percés suivant les axes desdits tubes et ledit axe de propagation ; lesdits supports sont reliés de manière étanche pour les gaz et le fluide de refroidissement à deux flasques éxtrêmes isolantes percées suivant ledit axe de propagation et connectées audit dispositif de circulation du fluide de refroidissement ; lesdites flasques isolantes constituent des supports pour lesdites fenêtres de transmission optique. According to an advantageous embodiment, the ends of said tubes are respectively brazed in two metal supports drilled along the axes of said tubes and said axis of propagation; said supports are connected in leaktight manner for the gases and the coolant to two extreme insulating flanges pierced along said propagation axis and connected to said device for circulating the coolant; said insulating flanges constitute supports for said optical transmission windows.
L'anode peut présenter diverses formes ; elle peut être constituée d'une ou plusieurs tiges métalliques parallèles auxdits tubes. The anode can have various shapes; it may consist of one or more metal rods parallel to said tubes.
Elle peut également avoir la forme d'une portion de cylindre métallique, ou d'un tube métallique entourant ladite cathode creuse et ayant même axe que l'axe de propagation. It can also have the shape of a portion of metal cylinder, or of a metal tube surrounding said hollow cathode and having the same axis as the axis of propagation.
Dans -ce dernier cas, l'anode forme avantageusement la paroi latérale de l'enceinte du laser et elle peut être refroidie extérieurement par un serpentin parcouru par un fluide de refroidissement. In the latter case, the anode advantageously forms the side wall of the enclosure of the laser and it can be cooled externally by a coil traversed by a cooling fluid.
D'autres-caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront au cours de la description suivante d'un mode de réalisation, qui sera faite à l'aide du dessin annexé donné à titre illustratif mais nullement limitatif et dans lequel - la figure 1 est une vue partielle très schématique en coupe axiale d'un laser muni dune cathode selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle schématique en coupe transversale du laser de la figure 1. Other characteristics and advantages of the present invention will appear during the following description of an embodiment, which will be made using the appended drawing given by way of illustration but in no way limiting and in which - FIG. 1 is a very schematic partial view in axial section of a laser provided with a cathode according to the invention, - Figure 2 is a schematic partial view in cross section of the laser of Figure 1.
Une anode 1 constituée par un tube métallique d'axe 11, relié électriquement à la masse, forme la paroi latérale de l'enceinte du laser. Cette enceinte de diamètre intérieur égal à 28 mm est refroidie par un serpentin d'eau extérieur 10. An anode 1 constituted by a metal tube of axis 11, electrically connected to ground, forms the side wall of the enclosure of the laser. This enclosure with an internal diameter equal to 28 mm is cooled by an external water coil 10.
La cathode est constituée par plusieurs tubes métalliques disposés régulièrement autour de l'axe 11. Ainsi, on a mis en oeuvre cinq tubes 2, 3, 4, 5, 6 de diamètre extérieur égal à 5 mm et de diamètre intérieur égal à 3 mm. Leur arrangement est tel qu'ils définissent un axe de propagation du faisceau laser confondu avec l'axe 11 ; le diamètre du faisceau prévu est sensiblement égal à 8 mm. The cathode is made up of several metal tubes arranged regularly around the axis 11. Thus, five tubes 2, 3, 4, 5, 6 of external diameter equal to 5 mm and internal diameter equal to 3 mm have been used. . Their arrangement is such that they define an axis of propagation of the laser beam coincident with axis 11; the diameter of the planned beam is substantially equal to 8 mm.
La longueur de la cathode peut atteindre 1 mètre.The length of the cathode can reach 1 meter.
Le matériau des tubes est du cuivre recouvert ou non d'un autre métal choisi pour l'obtention de l'effet laser. The material of the tubes is copper, whether or not covered with another metal chosen for obtaining the laser effect.
La longueur des tubes pouvant atteindre 60 cm à 1 m, il est préférable de disposer de place en place des bagues métalliques 20 de soutien. Ces bagues, pouvant avoir une largeur de 10 mm et une épaisseur de 1 mm, sont soudées aux tubes et n'ont aucune influence néfaste sur la décharge. The length of the tubes being able to reach 60 cm to 1 m, it is preferable to have metal support rings 20 in place. These rings, which can have a width of 10 mm and a thickness of 1 mm, are welded to the tubes and have no harmful influence on the discharge.
Une pièce d'extrémité métallique 30, percée suivant l'axe 11 et les axes des tubes 2 à 6, leur sert de support terminal. - Ainsi on voit sur la figure 1 les extrémités 23 et 26 des tubes 3 et 6 brasées dans des ouvertures de la pièce 30. Cette dernière est isolée électriquement de l'anode 1 reliée à la terre, par des manchons isolants 31. A metal end piece 30, pierced along the axis 11 and the axes of the tubes 2 to 6, serves as their terminal support. - Thus we see in Figure 1 the ends 23 and 26 of the tubes 3 and 6 brazed in the openings of the part 30. The latter is electrically isolated from the anode 1 connected to earth, by insulating sleeves 31.
La pièce 30 est fixée de manière étanche à une flasque isolante 32 percée suivant l'axe il et définissant une chambre annulaire 33 reliée au circuit 34 d'alimentation en fluide de refroidissement des tubes de la cathode. The part 30 is fixed in leaktight manner to an insulating flange 32 pierced along the axis it and defining an annular chamber 33 connected to the circuit 34 for supplying coolant to the tubes of the cathode.
La flasque 32 sert avantageusement de support à une fenêtre de transmission optique 35 fermant l'enceinte du laser. La cavité laser est fermée d'une manière connue en soi par deux miroirs d'axe 11. The flange 32 advantageously serves as a support for an optical transmission window 35 closing the enclosure of the laser. The laser cavity is closed in a manner known per se by two mirrors with axis 11.
(Selon un mode de réalisation non illustré, les fenêtres fermant l'enceinte font office de miroirs).(According to an embodiment not illustrated, the windows closing the enclosure act as mirrors).
Les flasques sont munies d'un dépit métallique 36 relié électriquement à la masse et qui assure une protection supplémentaire pour les miroirs grâce à l'effet de cataphorèse. The flanges are provided with a metallic cover 36 electrically connected to ground and which provides additional protection for the mirrors thanks to the cataphoresis effect.
L'enceinte du laser contient un ou plusieurs gaz neutres tels que l'argon, l'hélium, le néon, sous une pression comprise entre 5 millibars et 40 millibars. The laser enclosure contains one or more neutral gases such as argon, helium, neon, under a pressure between 5 millibars and 40 millibars.
La tension appliquée à la cathode est de l'ordre de 1 KV. The voltage applied to the cathode is of the order of 1 KV.
Les densités lineaires de courant atteintes sont de l'ordre de 30 AS10 cm. The linear current densities reached are of the order of 30 AS10 cm.
A titre d'exemple : on a mis en oeuvre dans de l'hélium sous 20 millibars une cathode creuse en cuivre selon l'invention ; son diamètre interne est de 8 mm environ et sa longueur 60 mm. La tension appliquée est de l'ordre de 800 volts et la puissance continue obtenue est supérieure à 7 watt pour une longueur-d'onde de 780 nm. Dans les mêmes conditions opératoires, une cathode creuse à fente de l'art antérieur (2 mm x 6 mm) de meme longueur ne permet d'obtenir qu'une puissance moitié de la précédente. By way of example: a hollow copper cathode according to the invention has been used in helium under 20 millibars; its internal diameter is approximately 8 mm and its length 60 mm. The applied voltage is of the order of 800 volts and the continuous power obtained is greater than 7 watts for a wavelength of 780 nm. Under the same operating conditions, a hollow slit cathode of the prior art (2 mm x 6 mm) of the same length only makes it possible to obtain a power half of the previous one.
La structure de la cathode creuse selon l'invention présente l'avantage d'une grande facilité de réalisation et peut etre refroidie très efficacement. Pour des matériaux actifs du genre cadmium, la température de la cathode peut être abaissée au-dessous de la température de condensation de ce corps ; cette possibilité de rétrodiffusion du cadmium vers la cathode joue un rôle essentiel pour la duree de vie du tube laser. En outre, on observe de meilleures performances du laser liées à la stabilité de la décharge même avec des diamètres de faisceau de l'ordre de 8 mm qui n'avaient jamais été obtenus jusqu'à présent. The structure of the hollow cathode according to the invention has the advantage of great ease of production and can be cooled very effectively. For active materials of the cadmium type, the temperature of the cathode can be lowered below the condensation temperature of this body; this possibility of backscattering of cadmium towards the cathode plays an essential role for the lifetime of the laser tube. In addition, better laser performances are observed, linked to the stability of the discharge even with beam diameters of the order of 8 mm which had never been obtained until now.
La structure selon l'invention, comme la cathode creuse en hélice décrite plus haut, permet de mettre en oeuvre des tensions de décharge plus élevées que celles appliquées aux autres cathodes creuses de 11 art antérieur qui étaient de l'ordre de 300 V ; ceci permet d'obtenir une plus grande énergie d'excitation des atomes de cadmium dans le système
He-Cd émettant de la lumière blanche ou des atomes de cuivre dans le système Ne-Cu émettant dans l'ultra-violet (250 nm).The structure according to the invention, like the hollow helical cathode described above, makes it possible to use higher discharge voltages than those applied to the other hollow cathodes of the prior art which were of the order of 300 V; this makes it possible to obtain a greater excitation energy of the cadmium atoms in the system
He-Cd emitting white light or copper atoms in the Ne-Cu system emitting in ultraviolet (250 nm).
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un moyen équivalent. Of course, the invention is not limited to the embodiment which has been given only by way of example. Without departing from the scope of the invention, any means can be replaced by equivalent means.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103986045A (en) * | 2014-05-30 | 2014-08-13 | 成都微深科技有限公司 | High-stability carbon dioxide laser with negative electrode heat insulation device |
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1983
- 1983-11-16 FR FR8318201A patent/FR2554982B1/en not_active Expired
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