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1~)3~00
La présente invention con~erne un laser a décharge breve
entre deux blectrodes allong~es.
uans un tsl laser la dirsction ae l'émission de lumiPre est
g~neralement a~finie principalement non pas par une cavite opt~que
rbsonnante, mais par la forme de l'espace dans lequel l'amplification
ae lumiere peut avoir lieu. La dlrection principale d'~mission est
alors celle selon laquelle la lumlère peut etre ampllfl~e le plus
longtemps c'est-à-dlre celle du canal situé entre les deux électrodes.
C'est en effet dans ce cenal, contenant un gaz convenabls, qu'a lleu la
dficharge ~lectrique qul crée le mllleu ampllficateur en excltant
ce gaz. Le problème Be pose alors d'obtenlr une émission de lumlère à
dlvergence aussi falbls que posslble.
Ce problème se pose notamment dans le cas d'un laser 3
d6charge brève du typs à onds progressive. Un tel laser comporte
cla~iquement une ligne électrique plate dont le~ surfaces conductrlces
ont une forme parebollque J au foyer de la parabole, on place un
écloteur qul, aprbs une oharge de la llgne, court-clrculte les deux
wr~acss conductrice~ et engendre ainsi une onde électrlque progresslve
dan~ la ligne I un canol laser est réalisé en lnterrompant l'uns des
ourfaces ¢onduoxrlces por une fente rectlllgne dont les bords constltuent
deux électrodes et en melntenant un gaz, tel que l'azote, dans cette
fente. Ce canal f it un ongle convenoble avec l'axe de lo parabole, 1BS
dsux électrodss ~ont rellée~ électriquement par une sel~ pour la chorge
de 1~ ligne plate. On obtient ainsi entre les électrode~ une déchorge
électrique locQllsée qui se déplace dans le canal 3 une vlte~se égole à
celle de lo lumière et qui réalise une excitatlon tr~s ropide ds
l'azote.
Cette excltation permet l'ampllfication sélectlve d'une onde
lumineuse progrssslve y accompagnant la zone de décharge. Un tel laser
e~t décrit dans l'artlcle de M. ~. GODARD - A simple hlgh-power large
~ , '.
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~Q3~
efficienry N2 ultraviolet laser" I.E.E~E. Journal ~f 4uantum Elsctronics,
vol. ~E-10 n 2. February 1974. pp. 147 à 153.
Les ~lectrodes entre lesquelles appara~t la décharge électrique
progressive sont polies et ont la forme ds surfaces planes parallèles
avsc des bords arrondis. Uns telle forme est eri effPt simple et classique
pour l'~tablissement d'une déchargs ~lectrique entrs deux électrodes
lorsqu'on veut qus la tension d'amorçage soit bien déterminée et que
les électrodes ne solent pas détériorées.
Le faisceau la~er lmpulsionnel ainsi obtenu n'est pas parall~le
et présente une dlvsrgence, qul psut etre partlellement supprimée en
ploçant sur le traJet du falsceau une lentille dont le foyer co~ncide
avec una premlère extr~mité du canal laser, c'est-à-dire avec la zone
où commence la décharge électrique et où apparait l'onde lumineuse qui
~ero en~ulte ampllfiée tout le long du canal. La dlvergence qui subslste
sst cependont sncore genante et ne peut pas etre sufflsamment corrlgée
par de~ moyens optlqueo aglssant sur le falsceau.
On conna~t por allleurs, par la revue GB Opto Electrcnlcs
vol. 4 n 1 Févrler 1972, page~ 43-49, article de D. Bastlng et al ~A
~imple hlgh power nltrogen laser~, un laser à décharge brbve et à onde
progresslve dont les électrode~ présentent lorsqu'elles ~ont vues en
coupe par un plan perpendlculalre au canal contsnant le gaz actlf, une
forme en polnte errondle. Ce laser fournlt un ~alsceau à forte divergence
d- 66 mlllirodians dans un ssn5 et de 26 dans l'outre. Son enseignement
n'~ donc ~amols été pri~ en consldératlon lorsqu'on a recherch~ à
dlmlnuer lo dlvergence du falsceau de sortie d'un laser.
Lo pr~sente lnventlon a pour but la réalisatlon d'un laser à
déchorge brève entre deux électrodes allongfies permettant d'obtenlr un
fal~ceau dont la dlvergsnce peut etre rendue très falble.
E11B a pour ob~et un laser à déchargs brave entre deux électrodes
allongées comportant :
2 -
~36~(~0
- une encsinte ayant au molns une paroi transparente st contenant un
gaz susceptible de devenir amplificateur de lumi~re lorsqu'il est
excit~ par une décharge ~lectrique,
- dans cette enceinte deux électrodes m~talliques allongées et parallèles
dont les face~ en rsgard ~ont polies et délimitent entre ellss un canal
laser allongé ayant une première et uns deuxième extrémité,
- de~ moyens électrlques pour provoquer une décharge brève entre les
face~ en regard deadltes électrodes de manlère à ce qu'une onde lumlneuse
app~r~ls-Ant à la premlère extrémlté du cansl et se propsgeant vers la
deuxieme extrémlté aolt amplifiée le long de ce canal Jusqu'à cette
d-uxlème extrémlté puls sorte de l'encelnte par ladlte paroi transparente,
c~r~ctérl-é par le f~lt qu'un système optlque convergent est placé sur
le tr~Jet de l~dlte onds lumlneuse w rtant de l~dlte deuxlème eXtrémit6
du con-l, le ~oyer de ce sy-tème optlque colncldant seni~lblement ~vec
ladite premlère extr~mité du canal, ch~cune desdltea facea en reg~rd
deo 61-ctrodec pré-entant lorsqu'elle ei3t vue en coupe por un plan
perpendioulaire au canal, une forme en polnte ~rrondle dlrlgée vera
l~autre 61ectrode, grace ~ quol lo lumlère qui se propage obllquement
dane le canal -t qul ~rrlve ur l'une de ces f~ces est réfl~chle en
dohor4 du oan~l et~n'-st donc plu- smpliflée.
L'ettic~cité de la pré~ente lnventlon tlent au f~it que la
partl- lrr6ductlble de 1~ div-rg-nc- de- l~aer- ~ d6ch~rge brève connua
; t-it eoaentlell _ nt du- ~u ~ d t qu'une p~rtle de-1'6nergl- d'excltstlon
dU g~z et-lt utlll~ee pour amplifler de- onde- Iumlneuaea se propage~nt
. ~ ~ , .:
obllquement dans le c~n~ -er p~r réflexlons succesalves sur leis
p~rtl-o plane~ dec ~oes en regard de~ électrodes.
A l!~ld- de~ flgurea 1 ~ 3 cl-~ointes on v~-décrire ei-après
ùn _ de~de reall~-tion de l'lnv-ntion, les elëments se correspondant
~ ur~dlverses figurea y;portant les~m~mes~ nùméros de refsrence.
;~ 30~ L8 flg~ure 1 r-prés-nt- une vue chématiqus de dsssins en
~ - 3 -
lQ367~i0 ~
coupe partiell~ d'un laser à onde progressive selon l'invsntion.
La figure 2 représente une vue schématique en coupe du laser
de la figure 1~ -
La figure 3 représente une vue en coupe par un plan perpendiculaire
au canal laser montrant a plus grande échelle les électrodes entre ;~
. .
lesquslles ~e prodult la décharge électrique progresslve.
Sslon les flgures 1 st 2 1B laser selon l'inventlon comporte
une encelnte allongée 2, en polyméthacrylats ds msthyls contsnant de
l'azots sous uns prsssion compris0 entrs 30 st 60 milllbars. 50 milllbars
par exsmple. Deux électrodes allongées d'acier lnoxydable 4 st 6 sont
disposées parall~lement dans cetts enceinte et forment les bords d'un
canal luser 8 de 90 cm de long.
Une ligne électrlque plate est formée par deux feullles
mlncsD de culvre 10 et 12 dont un bord forme une parabole 14, séparées
par une ~eullle i~olante 16 formée de polyester ou polylmlde avec une
~pais~eur de 75 mlcrons. Un autre bord de la feullle 10 est en contact
avec l'électrode 4. Une autre feullle de culvre 18 est placée dans le
prolongement de la feuille 10 st a un bord en contact avec l'~lectrode
~. Ells est connectée à la feullle 10 par une lnductance 20.
Un générateur ~lectrlque 22 charge la llgne plate alnsi
formée 30U8 une tension de 1 à 10 kV, par exemple 5 kV.
Un éclateur Z4, placé au foyer de la parabole 14, provoque
en~uite la déchargq de cette llgne plate en connectant brusquement la
~euille 10 ~ la feuille 12. Il en résulte 1'4parltion d'une onde
électrique dans la llgne. Cette onde est d'abord circulalre, puls, par
r~lexion ~ur 1~ parabole 14, devlent une onde rectlllgne qul s3t
perpendlculalrs ~ l'axe de cette parabole et qul se propags ver~ le
canal 6 parallèlement ~ l'axe ds cette parabole. Lorsqu'elle attelnt ca
cand 8 p~rall~lement à l'axe de cette parabole. Lorsqu'alle attelnt ce
4 et 6.
,,
,
_ 4 _ ~
~33~7~0
En raison de l'inclinalson de c~ canal par rapport à l'onde
électrique, cstte d~charge se propage d'une première extrémité 26 de ce
canal Jusqu'à sa deuxième extrkmité 28 à la vitesse de la lumière. Une
onde lumineuse apparaissant à l'extrémité 26 et se dirigeant vers
l'extr~mité 2~ accompagne donc la déchargs électrique. Si cette onde
lumineu~e a une longeur d'onde convenable, de 3371 angstroems, elle est ;
ampllflée tout le long du canal 8 par l'azote qui est exclté par la
décharge électrique, alors qu'une onde lumineuse de meme longueur
d'onde mala avec une dlrectlon de propagation très différente ne nera
amplifiée que aur un traJet trèa court.
Compte tenu du falt que l'onde ampllflée prend naissance à
l'extr~mlts 26, 11 feut pour obtenlr un faisceau de aortls parallèle,
utill~er une lentllle convergente 30, dont le foyer co~nclde avec
l'extrémlté 26. Une divergsnce du foiacsau aubslste cspsndant car
oertoln~ ondes ~ont ré~léchiea par les électrodss 4 et 6 en formant un
angle ~alble aveo l'oxe du canal 8, ce qui leur donne un~ viteaae de
prop~gatlon dans la dlrectlon du canal très volslne de celle ds la
d6chorge ~l~otrlque. Css ondes, flyant la longueur d'onds convenable de
3371 Qngstroems ~ont donc ampllflée3 elles auasi tout le long du canal.
La forme dea électrodea 4 et 6 repreaentéB sur 18 flgure 3
permet d'eviter ces réflexlons et cette ampll~icatlon para3ite. Chacune
d~ ce~ élw trode- est polle et pr6aente, en coupe, une forme en polnte
arrondle dlrigée vers l'autre électrode.
Le r yon de courbure de la polnte arrondle, 1 mm par exemple eat
de pr6~érsnce in~érleur au quart ds la largeur du canal 8 sltué entrs cea
polntes 6 ou 7 mm par exemple. Cs rayon rsste cependant de preférence
;, . . .
aupérieur ~ 2 % de cette largeur. Chaque pointe forme un arc de csrcle ; ~ -
comprls de preférence sntre 120 et 170 de mani~rs que l'epais~eur des ; ;~
~électrodes devlenne plu~ grande quand on 3'sl0igne du canal 5. En
dehorfi de cea polntea, ces slsctrodes ont la forme g~nerale de lames
_ 5 _
~,; , . . .' :
,.
~ ~367UO
épaisses de 5 mm et présentent deux faces parallèles à la dire~tion
générale des feullles 10, 12 et 18. La face la plus éloignée tslle que
40, rsste parallèle à cette direotion générale jusqu'à la pointe
arrondie. L'autre face, telle que 42, est en contact avec la feullle 10
ou la feuille 1~, ~usqu'au bord de cette feuille qui constitue en
m~me temps une lign~ d'arete tells que 44. Puis cette face s'éloigne du
prolongement ds cette feuille Jusqu'à la pointe arrondle.
Cecl permet d'élolgner la zone de décharge, de la feuille
lsolante 16. Cette zone est représsntée par un trait tiré et situé
entre les pointes arrondle~.
LB8 feuilles 10, 12, 16 et 18 qui sont souples sont fixées
sur un support 46 qul essure la rigldité mécanlque de l'ensemble.
Ce support est creusé ds deux ralnures sous les parties des
6lectrodes 4 0t 6 en contact avec le~ feulllss 10 et 18, au volslnage
do~ lignec d'-rOte telles qus 44.
Oan~ ces relnure~ sont dlsposé~ des moyens pour presser
él~tiquement l'en~emble des feullles 10, 12, 16 et 18 contre les
6lectrode~ 4 et 6 et assurer un bon contact entre ces électrodes et les
fwlllos 10 et 18- Ce8 moyen~ sont constltués par des tuyaux souples 4B
et 50.
Le ~ocle 46 forme d'autre part un creux 5Z en regard ds
i'espacs lntfirleur ~ l'encelnte 2, de manlbre à permsttre d'élolgnsr
enoore les feullle~ 16 et 12 du canal B~ Cet élolgnement est as~uré en
f~ nt communiquer le fond de ce creux 52 avec une pompe a vlde non
représentée~
Le laser qul vlent d'êtrs décrlt permet d'obtenlr, à l'aide
de l~ lentllls 30, un f~isCeau ayant uns dlvsrgsnce de 0,3 milliradians,
alors que si l'on avalt utili~é la forme habituelle des électrodes la i
divsrgence aurait fité de 10 mllliradians snviron en utlllsant une
,................................................................................. ............. :
lsntllle analogus. La durés ds l'lmpulsion lumineuse est généralement ~ - ~
. ~ .
- 6 -
,... ... . " ,. , ,., ,, ." .. , . ... , . ~, , ., ., ,, , ,, " .", . .... . . . .. .
1~3ti7QO
comprlse entre 2 et 1Z ns.
Il peut être parfois utile de disposer au voisinage de
l'éclateur 24 un réflecteur pour empêcher l'onde circulaire prenant
nalsaance sur cet éclateur d'atteindre directement le canal laser 8.
Cependant cette précaution n'est paa indispensable car cette onde
directe parvient au canal laser pre~qu'en meme temps que l'onde réfl~chie
par la parabole constituant le bord de la llgne plate.
En ce qui concerne le cholx des tensiona ~ appllquer entre
lee feuilles métollique~ 10 et 12, 11 convlent de remarquer que plus
ces tenslons ~ont falbles, plus, ~ pre~slon constante dsns l'encelnte 2,
la distance entre les électrodea 4 et 6 peut etre dlmlnuée. Il est
souhaltable de l'amener au-des~oua de 9 mm ce qul permet de dlmlnuer
encore lo dlvergence ré~lduelle du fd sceau. Ls preaslon s~t avant~geusement
comprl~e entre 30 et 60 mllllbars. Compte tenu du falt que l'énergle de
la déch~rge électrlque ne peut p~s etre trop dlmlnuée, 11 en ré~ulte
qu'll y ~ int~ret ~ oholslr une ~albls dlst~nce entre le8 ~eullles 10
et 12, c'o~ P ~dlre une ~dble épals~eur de lo ~eullle dléleotrlque 16,
au-du~ou~ de 130 mlcrons. En pratlque pour une épalsseur de 75 mlcrona
une ten-lon d- S kV convlent svec une dlstancs entre électrc1des de 6,7
mm. On peut cepend~nt pratlquement de~cendre ~ une tenslon de 1 kV avec
une dl~tance entre électrodes de 2 mm et une ép~lsseur de lfl feullle 16
de 25 mloron~. ;
~ uolque l'lnventlon olt été déorlte d~ns un mode de r~alisatlon
qul a paru avantagsux, et qul utlllse, pour créer la décharge électrique
dan~ le oanal l~ser, une llgne ~lectrlque pl~te 3 bord parabollque, 11
dolt ~tre comprl~ que d'autres formes de lignes électrlquea psuvent
egalem~nt etre utili~éea. On peut notemment atocker l'énergle éIectrlque
dans un ensemble de condenaateurs discrets. ~-
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