FR2529400A1 - Laser a gaz a excitation par decharge electrique transverse declenchee par photoionisation - Google Patents

Abstract

LASER A GAZ A EXCITATION PAR DECHARGE ELECTRIQUE TRANSVERSE DECLENCHEE PAR PHOTOIONISATION. UN GENERATEUR DE RAYONS X 3, 7, 8, 9 FAIT APPARAITRE DES ELECTRONS ENTRE LA CATHODE 3 ET L'ANODE LASER 2 EN UN TEMPS INFERIEUR A 10 NANOSECONDES. APPLICATION A LA GENERATION DE LUMIERE LASER.

Description

Laser à gaz à excitation par décharge électrique transverse déclenchée par

photoionisation L'invention concerne un laser à gaz à excitation par décharge

électrique transverse déclenchée par photoionisation.

Beaucoup de lasers utilisent de manière connue un milieu actif gazeux à des pressions variant entre 0,1 et 10 atmosphères et capables

d'émettre toute une gamme de longueurs d'ondes comprises entre l'ultra-

violet à 200 nm et l'infrarouge vers 10 000 nm lorsqu'ils sont excités

par une décharge électrique transverse.

Un tel laser comporte deux électrodes linéaires, l'anode et la

cathode qui s'étendent parallèlement l'une à l'autre et à l'axe d'émis-

sion du laser La décharge transverse, perpendiculaire à l'axe d'émis-

sion du laser, est en général déclenchée grâce à un commutateur rapide,

par exemple un éclateur ou un thyratron à hydrogène, qui permet à l'éner-

gie électrique stockée dans des éléments capacitifs de s'écouler dans la

décharge De tels éléments capacitifs seront désignés ci-après par l'ex-

pression "condensateur laser" Ils sont d'un type "rapide", c'est-à-dire qu'ils sont réalisés, ainsi que leurs connexions, de manière à pouvoir se décharger rapidement Pour les lasers de gros volume il est souvent adjoint un dispositif de préionisation du volume gazeux actif qui permet

d'obtenir une décharge plus homogène Plus particulièrement dans un pre-

mier laser à gaz connu à décharge transverse de grande énergie (plus de 0, 1 J de lumière), la décharge est obtenue par application brutale de la tension du condensateur laser par l'intermédiaire d'un commutateur de

puissance tel qu'un éclateur.

Avec ce premier laser connu beaucoup de problèmes sont rencontrés

lorsque l'on désire obtenir un fonctionnement fiable de type industriel.

Le commutateur rapide présente en effet trois inconvénients majeurs.

D'abord, le manque de fiabilité lié à une usure rapide de ses électrodes

de commutation lors du passage d'intensités électriques crête très im-

portantes (de l'ordre de 104 à 10 ampères) Ensuite un tel commutateur consomme à lui seul une fraction importante ( 30 à 50 %) de l'énergie emmagasinée ce qui diminue le rendement énergétique du laser Enfin ce

commutateur présente une inductance propre qui a pour effet de désa-

dapter l'impédance de l'ensemble constitué par le "condensateur laser" 2 et ses éléments de connexion par rapport à celle de la décharge entre les

électrodes laser, ce qui ralentit la décharge et diminue encore le rende-

ment du laser.

Dans ce premier laser connu on utilise une impulsion de rayons X engendrée à l'intérieur de la cathode laser, pour assurer, avant le déclenchement une ionisation préalable du milieu actif, de manière à rendre plus homogène la décharge rapide qui surviendra plus tard Ce premier laser connu est décrit dans l'article de S C LIN et J I.

LEVATTER paru dans la revue Applied Physics Letters Vol 34 p 505 ( 1979).

Par ailleurs, des essais récents ont été effectués sur un laser de petite dimension pour obtenir un fonctionnement satisfaisant du laser sans commutateur Plus particulièrement on connalt un laser à gaz excité par une décharge électrique transversale qui est déclenchée par une

impulsion de rayonnement ultraviolet traversant la paroi semi-transpa-

rente de la cathode laser et ionisant le milieu actif.

Ce second laser connu présente les inconvénients suivants: dans le cas de certains milieux actifs la décharge entre les

électrodes apparait insuffisamment homogène, quoiqu'elle le soit suffi-

samment dans d'autres cas.

en outre, dans le cas ou la section de l'espace occupée par le

milieu actif est importante, par exemple 3 x 3 cm, le rayonnement ultra-

violet provenant de la cathode parvient trop atténué au voisinage de l'anode, ce qui rend encore plus difficile l'obtention d'une décharge homogène Or, l'homogénéité de la décharge électrique excitatrice est

nécessaire pour obtenir un bon rendement énergétique du laser.

de plus la cathode semi-transparente, qui est soumise à un bom-

bardement ionique lors de chaque décharge excitatrice se détériore rapi-

dement, ce qui limite la durée de vie du laser ou l'énergie totale qu'on

peut en extraire.

La présente invention a pour but d'augmenter le rendement énergé-

tique d'un laser à gaz à excitation par décharge électrique transverse déclenchée par photoionisation, ceci en rendant la décharge excitatrice

plus homogène et sans utiliser de commutateur de puissance Elle a éga-

lement pour but d'augmenter la cadence de fonctionnement d'un tel laser et de prolonger sa durée de vie Elle a encore pour but de permettre la 3 réalisation d'un laser capable d'effectuer plus de 108 tirs à une cadence

nominale de 1000 Hz avec une énergie de l'ordre de 1 J par tir.

La présente invention a pour objet un laser à gaz à excitation par décharge électrique transverse déclenchée par photoionisation, ce laser comportant deux électrodes laser linéaires, à savoir une cathode laser et une anode laser s'étendant parallèlement selon une direction longitudinale en regard l'une de l'autre, l'espace compris entre ces électrodes étant occupée par un milieu gazeux "actif" propre à amplifier un rayonnement laser lorsqu'il est excité par une décharge électrique,

un "condensateur laser" présentant une très basse impédance lui per-

mettant de se décharger rapidement dans le milieu gazeux actif pour exciter ce dernier, et ayant ses deux armatures directement connectées aux deux électrodes laser,

un circuit de charge de laser à grande énergie pour charger ce conden-

sateur laser sous une tension de "fonctionnement", inférieure à la ten-

sion d'auto-amorçage qui provoquerait par elle-même l'amorçage d'arcs

entre les électrodes du laser, cette charge créant un champ électri-

que "de fonctionnement" dans ledit milieu actif, et un générateur de rayonnement ionisant pour diriger une impulsion de rayonnement "de déclenchement" dans le milieu actif, préalablement soumis audit champ de fonctionnement, cette impulsion étant suffisamment grande pour y amorcer une décharge transversale homogène s'établissant entre les électrodes laser et rendant ce milieu amplificateur pour le rayonnement laser, ce laser étant caractérisé en ce que ledit générateur de rayonnement est un générateur rapide fournissant ladite impulsion de déclenchement

en un temps inférieur à 10 nanosecondes.

Un principe important de l'invention consiste donc à faire appa-

raitre dans le mélange gazeux laser "suffisamment d'électrons" pendant un temps "suffisamment court" pour amorcer une décharge homogène entre

les électrodes du laser directement branchées aux bornes de son conden-

sateur d'alimentation préalablement chargé en dessous de la tension d'auto-amorçage. Par "suffisamment d'électrons" il faut entendre un nombre tel que les avalanches électroniques créées dans la décharge chacune à partir _ 4 - d'un électron initial soient suffisamment nombreuses pour se recouvrir toutes les unes les autres et donner ainsi un aspect homogène à la décharge Les spécialistes des plasmas connaissent sur le plan théorique et sur le plan expérimental le nombre d'électrons par unité de volume en dessous duquel une décharge préjonisée n'est plus homogène Ainsi, dans l'article de LEVATTER et LIN (Journal of Applied Physics 51 p 210 Janvier 80), les auteurs ont trouvé un chiffre minimum de 106 électrons par centimètre cube pour le laser Kr F émettant à 250 nu et dont le mélange gazeux actif est constitué de He ( 100), Xe ( 8), F 2 à la pression

de 1 atmosphère, les proportions étant données en volume.

Par "suffisamment court" on entend un temps de l'ordre de grandeur du temps de formation d'une avalanche électronique dans la décharge ou inférieur à ce temps Le temps de formation d'une avalanche électronique

est de l'ordre de 10 à 20 fois le "temps caractéristique" de multipli-

cation exponentielle des électrons.

Ici encore les spécialistes des plasmas connaissent les "temps"

caractéristiques de multiplication d'électrons dans divers milieux, sus-

ceptibles ou non d'être utilisés comme milieux actifs lasers Ces temps caractéristiques dépendent à la fois de la nature du mélange gazeux, et en particulier de la présence ou de l'absence de gaz électrophiles, et de la valeur du champ électrique appliqué entre les électrodes, la grandeur significative étant ici le rapport du champ à la pression du gaz (champ par unité de pression) Ainsi, H LIJO dans la thèse de Ph D qu'il a soutenue à l'Université de Californie du Sud à SAN DIEGO en 1978 donne

les chiffres de 0,3 nanoseconde pour le temps caractéristique de multi-

plication des électrons dans le laser Kr F décrit précédemment et pour un champ de 4 10 20 volts par mètre carré par molécule De même par exemple pour l'azote on trouve un temps caractéristique de 0,2 ns avec un champ électrique par unité de pression de 104 volts par centimètre atmosphère

(A ALI Applied Optics 6 -2115 1967).

Il est à noter que, compte tenu des performances annoncées pour les

lasers connus à déclenchement par photoîonisation, il est apparu à l'in-

venteur que l'impulsion de rayonnement ionisant assurant ce déclenche-

ment était fournie en un temps toujours supérieur à dix fois, par exemple 40 ou 100 fois, le temps caractéristique de multiplication électronique

du milieu actif, c'est-à-dire en pratique de l'ordre de 30 nanosecondes.

-

Pour fixer un ordre de grandeur à titre d'exemple on peut consi-

dérer que conformément à la présente invention il faut faire apparaître dans le milieu actif plus de 106 électrons par centimètre cube en un

temps voisin inférieur à 10 nanosecondes et de préférence à 3 nanose-

condes Un moyen privilégié de faire apparattre ces électrons dans le temps voulu consiste à utiliser un générateur de rayons X rapide C'est pourquoi, de préférence ledit générateur de rayonnement ionisant est formé dans ladite cathode laser et comporte: une enceinte vide de gaz intérieure à la cathode, une paroi limitant cette enceinte en regard de l'anode et comportant elle-même une plaque métallique "support" transparente aux rayons X et

suffisamment résistante mécaniquement pour supporter la pression du mi-

lieu actif, et sur la face intérieure de cette paroi, une feuille métal-

lique mince génératrice de rayons X, une électrode émissive disposée dans l'enceinte en regard de la feuille génératrice et propre à émettre un flux d'électrons acceléré sous l'action d'un champ électrique, et un générateur de tension à temps de montée rapide propre à appliquer

une impulsion de haute tension négative à l'électrode émissive par rap-

port à la paroi active de manière à créer un bombardement de la feuille génératrice par des électrons énergétiques et l'émission de rayons X par

cette feuille en direction du milieu actif à travers la plaque support.

A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après à titre non limitatif, comment -l'invention peut être mise en oeuvre Lorsqu'un élément est représenté sur plusieurs figures il y est

désigné par le même signe de référence.

La figure 1 représente le schéma électrique de fonctionnement d'un

laser selon l'invention.

La figure 2 représente des diagrammes de fonctionnement de ce

laser, le temps étant porté en abscisses.

La figure 3 représente une vue en perspective d'éléments consti-

tutifs du même laser.

La figure 4 représente une vue en coupe dans un plan perpendicu-

laire à l'axe du même laser au milieu de celui-ci.

Les figures 5 A à 5 D représentent en détail la réalisation de dif-

férents types de cathodes adaptées à différents milieux laser actifs.

_ 6 - Sur la figure 1 le milieu actif gazeux d'un laser 1 est contenu entre deux "électrodes laser" linéaire, à savoir une anode 2 et une cathode 3 parallèles l'une à l'autre et s'étendant perpendiculairement au plan de la figure La source d'énergie pour la décharge entre l'anode 2 et la cathode 3 est constituée par un élément capacitif 4 dont les armatures sont directement reliées à l'anode et à la cathode laser pour

diminuer au maximum l'inductance de connexion Cet élément, appelé ci-

après "condensateur laser" peut être constitué soit d'un condensateur

individuel, soit d'une ligne de stockage d'énergie à très basse impé-

dance telle qu'une ligne à eau de type connu, par exemple Il est chargé à la tension maximale de "fonctionnement" du laser grâce à un bottier d'alimentation 5 L'alimentation peut s'effectuer soit en continu, soit en pulsé selon le type de condensateur 4 utilisé Dans le cas d'une ligne à eau, il y aura intérêt à charger cette dernière en un peu moins de 10 microsecondes qui est une valeur indicative pour laquelle la rigidité

diélectrique de l'eau est encore satisfaisante ( 100 k V/cm) et l'alimen-

tation haute tension non trop difficile à réaliser Cette tension nomi-

nale de "fonctionnement" est inférieure à la tension "d'auto-amorçage" qui provoquerait par elle-même l'amorçage d'arcs entre les électrodes laser La tension de "fonctionnement" peut être comprise entre 20 % et 97 % de la tension d'auto-amorçage selon les mélanges gazeux utilisés Une réalisation privilégiée de cette alimentation consiste à utiliser un transformateur élévateur de tension au primaire duquel on décharge un condensateur basse tension à l'aide d'un thyristor au silicium très

fiable.

A l'intérieur de la cathode 3 se trouve une électrode 8 émissive d'électrons par effet de champ et utilisée pour générer les rayons X. Cette électrode est alimentée par un générateur de haute tension rapide 7 de tension comprise entre 50 et 100 k V et de temps de montée inférieur à

10 nanosecondes en général, cette tension étant appliquée entre l'élec-

trode 8 et la paroi de la cathode 3, qui -sera décrite plus loin avec plus

de détails.

Le déroulement dans le temps du fonctionnement de ce laser est illustré par les courbes A et B de la figure 2, qui ont été établies à l'aide d'un oscilloscope rapide du commerce, branché sur les électrodes

laser par l'intermédiaire de sondes atténuatrices.

-7 - A l'instant initial commence la charge du condensateur 4 à l'aide du bottier d'alimentation 5 La variation dans le temps de cette charge est indiquée sur la courbe A o on peut voir la croissance de la tension

de charge jusqu'à la tension nominale Vo qui est atteinte à l'instant to.

A cet instant to le générateur d'impulsion haute tension 7 envoie sur l'électrode 8 située à l'intérieur de la cathode& 3 une impulsion dont le front de montée rapide est visible sur la courbe B de la figure 1 Les électrons ainsi libérés de l'électrode 8 vont bombarder la paroi de la cathode 3 Il y a alors création simultanée rapide de rayons X qui vont

créer dans le milieu actif 1 des électrons en densité suffisante (supé-

rieure à 106 cm 73) pour amorcer la décharge entre l'anode 2 et la

cathode 3.

La figure 3 est une vue en perspective limitée à des éléments

essentiels du laser et du dispositif de déclenchement par photoioni-

sation L'anode 2 et la cathode 3 situées parallèlement et en face l'une de l'autre sont en général reliées sur toute leur longueur par deux

plaques aux armatures du condensateur laser Le milieu laser actif gaze-

ux est situé entre ces électrodes et entre deux fenêtres 10 fermant une enceinte à gaz On obtient ainsi de façon classique soit l'oscillation laser (dans ce cas une des fenêtres est un miroir à réflexion totale et l'autre un miroir à réflexion partielle de manière à former une cavité optique), soit l'amplification d'un faisceau laser de même longueur d'onde crée par un autre oscillateur Le gaz actif peut être soit au repos en cas de fonctionnement en coup par coup, soit en circulation

transversale rapide (perpendiculairement à l'axe du laser et à la dé-

charge entre l'anode et la cathode) dans une enceinte de circulation forcée conçue à cet effet, pour un fonctionnement à haute cadence de

répétition ( 1 k Hz) Selon les longueurs d'onde laser que l'on veut géné-

rer, le gaz actif peut avoir à titre d'exemple les compositions indiquées

ci-dessous, les proportions en volume étant indiquées entre paren-

thèses: 8 -

LASER LONGUEUR D'ONDE MELANGE GAZEUX PRESSION EN BARS

Kr F 268,4 nm He, Kr, F 2 ( 100, 5, 0,5) 1 Xe Cl 308 nm Ne, Xe, H Ci ( 100, 1, 0,3) 2 Xe F 351 nm He, Xe, NF 3 ( 100, 1, 0,5) 1 Hg I: 443 nm Ne, Hg I 2 ( 100, 0,3) 2 Hg Br 503 nm Ne, Hg Br 2 ( 100, 0,3) 4 HF 2700 nm SF 6, H 2, Xe ( 80, 20, 2) 0,2 DF 3000 à 4000 nm SF 6, D 2, Xe ( 80, 20, 2) 0,2 C 02 9000 à 11000 nm He, N 2 C 02, Xe ( 100, 25, 25,2) 1

Dans l'exemple de réalisation présenté sur la figure 3 le dispo-

sitif de déclenchement par ionisation est formé à l'intérieur de la cathode 3 Il comporte l'électrode 8 à émission électronique par effet de champ disposée dans une enceinte vidée 9 intérieure à la cathode sur

toute sa longueur Cette électrode est alimentée par une impulsion néga-

tive par rapport à la cathode grâce au générateur 7 délivrant une tension comprise entre 50 et 100 k V et dont le front de montée est rendu plus abrupt grâce à un dispositif de raidissement 6 Ces électrons vont créer des rayons X dans le laser par collision sur la face interne de la cathode.

Le rôle de ces rayons X est de créer des électrons de façon homo-

gène dans le milieu actif laser par ionisation des atomes qui absorbent ces rayons Afin d'obtenir la plus grande densité électronique possible, il est nécessaire d'avoir une absorption presque complète des rayons X dans le gaz actif et à cette fin, le r 8 le d'absorbeurs de rayons X est Joué par les atomes de numéro atomique Z élevé qui composent les gaz actifs représentés dans le tableau précédent Dans le cas o on souhaite utiliser un mélange gazeux actif connu qui ne comporte pas d'atomes lourds, par exemple le mélange à base de gaz carbonique CO 2 émettant à 10 micromètres, il est nécessaire d'ajouter une petite quantité d'un gaz

lourd tel que le xénon par exemple, qui ne perturbera pas le fonctionne-

ment laser mais qui par contre créera des électrons par ionisation La raison de la présence du xenon pour le laser HF et DF est identique La 9 9- pression de xenon dépend de la dimension du milieu actif et est ajustée

pour obtenir une absorption homogène des rayons X Ainsi, pour une dis-

tance entre anode et cathode de 1 cm on choisit une pression de xenon voisine de 2 torrs et pour une distance de 3 cm une pression voisine de 0, 5 torr.

La figure 4 représente une vue en coupe du dispositif 6 de raidis-

sement du front de montée négatif de l'impulsion appliquée à l'électrode émissive 8, ceci dans une réalisation particulière basée sur le principe de la compression magnétique Elle montre aussi le détail de réalisation du générateur de rayons X situé dans la cathode 3 du laser Ce générateur comporte l'électrode 8 munie d'une lame 11 à arête vive qui émet des électrons d'environ 100 Ke V par effet de champ afin de bombarder un métal de numéro atomique élevé tel que le tantale (Z = 73) Ce métal est disposé sous la forme d'une feuille 20 suffisamment mince pour pouvoir émettre des rayons X vers l'anode 2 à travers le milieu laser Afin

d'obtenir une solidité mécanique suffisante cette feuille mince est sup-

portée par une plaque plus épaisse 12 d'un métal à numéro atomique faible

tel que l'aluminium (Z = 13) ou le beryllium (Z = 4) qui sont bien trans-

parents aux rayons X de 50 Ke V L'électrode 8 supportant la lame mince 11 qui permet d'obtenir une émission d'électrons par effet de champ est disposée à une distance suffisante de la face interne de la cathode pour que le faisceau d'électrons émis recouvre entièrement celle-ci en suivant les trajectoires 15 Cette distance est connue des hommes de l'art et dépend de la géométrie à l'intérieur de la cathode La lame mince 11 peut être constituée par exemple de tantale d'environ 10 microns d'épaisseur, d'un feutre de carbone de quelques millimètres d'épaisseur ou d'un empilement de fibres de carbone dont les extrémités sont dirigées

vers la cathode.

A l'intérieur du dispositif 6, qui présente la forme d'un cylin-

dre, sont disposés des éléments de compression magnétique d'impulsion.

L'impulsion négative d'environ 100 KV à temps de montée très bref (moins de 10 ns) qui sera appliqué sur l'électrode 8 est obtenue de la façon

suivante Un élément capacitif 16, appelé ici "condensateur du déclen-

cheur" est chargé en régime pulsé avec un temps de montée de 1 microse-

conde environ à l'aide d'un bottier d'alimentation 17 qui peut être -

constitué d'un transformateur d'impulsion élévateur de tension de tech-

nologie connue Cet élément dont la capacité est comprise entre 0,1 et 1 microfarad à titre d'exemple pourrait être constitué par le câble de liaison 18 lui-même Ce câble de liaison est relié à l'électrode 8 par un conducteur 13 entouré de matériaux magnétiques 14 formant un manchon à l'intérieur du cylindre 6 Dans l'exemple présenté ici, les matériaux ferromagnétiques sont des tores de ferrite dure habituellement employée

en haute fréquence Une autre réalisation pourrait tout aussi bien uti-

liser des feuilles de métal magnétique amorphes plus connues sous les

marques de fabrique "Dgltamax", "Orthonal" ou "Metglas" Tous ces maté-

riaux magnétiques sont connus pour leur très grande vitesse de satura-

tion. Lorsque la tension négative appliquée sur l'électrode 13 commence à crottre, le matériau magnétique n'étant pas saturé, toute la tension est appliquée sur l'inductance élevée créé par la présence des matériaux ferromagnétiques et aucune tension n'apparatt sur l'électrode 8 Puis, lorsque la tension continue de erottre, une légère tension apparatt sur l'électrode 8 qui commence à émettre des électrons de faible énergie (qui ne créent donc pas de rayons X) Ce faible courant va donc commencer à saturer la perméabilité du matériau ferromagnétique ce qui a

pour conséquence de diminuer fortement l'inductance série et donc d'aug-

menter rapidement la tension sur l'électrode 8 Ce phénomène divergent contribue à accélérer l'apparition de la tension sur l'électrode 8 On a donc un raidissement du front de montée d'émission des électrons Ce

raidissement est encore accéléré pour les rayons X d'énergie convena-

ble ( 50 Ke V) utilisables dans le milieu laser de l'autre côté de la cathode car les rayons X émis au début de l'émission des électrons n'ont pas l'énergie suffisante ( 20 Ke V) pour traverser les matériaux de la cathode. Ce dispositif permet donc bien de remplir le r 8 le de déclenchement de la décharge laser en générant une ionisation brusque dans le milieu laser Sans sortir du cadre de l'invention on peut imaginer soit une configuration géométrique différente de l'électrode à rayons X, soit un

autre système de raidissement du front de montée de l'impulsion.

Pour un fonctionnement à faible cadence on peut utiliser également 11 comme dispositif raidisseur du front de montée un éclateur en série dans

le conducteur 13 par exemple et supprimer les noyaux magnétiques.

Pour un fonctionnement à grande cadence la feuille de tantale de

faible épaisseur chargée de générer les rayons X s'échauffe sous l'ac-

tion du bombardement répété des électrons et il y a lieu d'utiliser une géométrie différente o les rayons X sont générés sur une cible massive située face à la face interne de la cathode tel que représentée sur la

figure 5 D qui sera décrite plus loin.

Les figures 5 A à 5 D représentent des variantes du détail de réali-

sation des cathodes chargées d'émettre des rayons X. Sur la figure 5 A, la cathode composite est constituée d'une feuille de tantale 20 de 10 microns d'épaisseur supportée par une plaque

de béryllium 19 de 2 millimètres environ.

La figure 5 B est très semblable à la figure 5 A mais ici la feuille de tantale 22 ne fait plus que 8 microns et la plaque support 21 est en

aluminium de 1 mm d'épaisseur.

La figure 5 C est du même type que la figure 5 A avec une plaque de béryllium 24, de 1,5 mm d'épaisseur avec la même feuille de tantale 25 de 10 microns d'épaisseur Il a été ajouté sur la plaque de béryllium du c 8 té du milieu actif, une feuille d'acier inoxydable 23 -de 10 microns d'épaisseur pour protéger la cathode de l'attaque chimique de certains composants comme le brome dans le laser Hg Br On peut de la même manière

protéger le beryllium contre l'attaque de H Cl par un dépôt électroly-

tique de nickel dans le cas du laser Xe Cl.

La figure 5 D représente une réalisation préférentielle de la

cathode dans le cas d'un fonctionnement à haute cadence de répétition.

Ici la feuille fine de tantale est remplacée par une cible massive de tungstène 27 disposée à 45 degrés face à la paroi rigide de cathode 26 qui est en regard de l'anode du laser Cette paroi est constituée d'un métal transparent aux rayons X L'électrode de tungstène est bombardée à 450 par des électrons émis par un canon à électrons 28 mieux collimaté que l'émission par effet de champ de l'électrode 8 de la figure 3, et

dont l'émission est à 900 de la direction moyenne des rayons X se diri-

geant vers la cathode La cible 27 de tungstène est refroidie par une

circulation interne d'eau grâce à un circuit 31.

_ 12 -

L'ensemble du dispositif décrit dans le présent brevet avec ses variantes de réalisation permet d'obtenir un fonctionnement fiable sur le plan industriel de pratiquement tous les lasers à gaz à excitation transversale Il présente en outre l'avantage d'augmenter le rendement de ces lasers et d'en obtenir un fonctionnement à haute cadence.

Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réali-

sation décrit et représenté qui n'a été donné ici qu'à titre d'exemple.

En particulier on peut, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer

certains moyens techniques par des moyens équivalents.

C'est ainsi que la source de rayons X qui est décrite ici à l'inté-

rieur de la cathode du laser pourrait être disposée si cela était néces-

saire dans l'anode ou bien-latéralement par rapport au laser sans sortir

du cadre de l'invetnion.

De plus les mélanges des gaz actifs précédemment décrits ne sont

pas limitatifs et la mise en application de l'invention suppose simple-

ment l'adjonction d'un gaz à numéro atomique élevé, par rapport aux mélanges classiques connus par l'homme de l'art, lorsque ces mélanges

n'en comportent pas déjà.

Enfin, le dispositif de raidissement du front de montée du déclen-

cheur dont le rôle est décisif pour le bon fonctionnement de l'invention peut être obtenu par n'importe quel autre moyen que l'homme de l'art connalt autre que la compression magnétique.

Les lasers ainsi réalisés selon l'invention peuvent être utilisés pour toutes les applications connues des lasers à impulsions courtes (moins de une microseconde) et énergétique tels que usinage, photochimie, télémétrie, illumination etc 13 -

Claims (4)

REVENDICATIONS

1/ Laser à gaz à excitation par décharge électrique transverse déclen-

chée par photoionisation, ce laser comportant: deux électrodes laser linéaires, à savoir une cathode laser ( 3) et une anode laser ( 2) s'étendant parallèlement selon une direction longitu- dinale en regard l'une de l'autre, l'espace compris entre ces électrodes

étant occupée par un milieu gazeux "actif" propre à amplifier un rayon-

nement laser lorsqu'il est excité par une décharge électrique, un "condensateur laser" ( 4) présentant une très basse impédance lui permettant de se décharger rapidement dans le milieu gazeux actif pour exciter ce dernier, et ayant ses deux armatures directement connectées aux deux électrodes laser ( 2, 3), un circuit de charge de laser à grande énergie ( 5) pour charger ce condensateur laser sous une tension de "fonctionnement", inférieure à la tension d'auto-amorçage qui provoquerait par elle-même l'amorçage d'arcs

entre les électrodes du laser, cette charge créant un champ électri-

que "de fonctionnement" dans ledit milieu actif, et un générateur de rayonnement ionisant pour diriger une impulsion de rayonnement "de déclenchement" dans le milieu actif, préalablement soumis audit champ de fonctionnement, cette impulsion étant suffisamment grande pour y amorcer une décharge transversale homogène s'établissant entre les électrodes laser et rendant ce milieu amplificateur pour le rayonnement laser, ce laser étant caractérisé en ce que ledit générateur de rayonnement est un générateur rapide ( 3, 8, 7, 6) fournissant ladite impulsion de

déclenchement en un temps inférieur à 10 nanosecondes.

2/ Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit généra-

teur de rayonnement ionisant est un générateur de rayons X formé dans ladite cathode laser ( 3) et comporte: une enceinte vide de gaz ( 9) intérieure à la cathode, une paroi ( 20, 12) limitant cette enceinte en regard de l'anode ( 2) et comportant elle-même une plaque métallique "support" ( 12) transparente aux rayons X et suffisamment résistante mécaniquement pour supporter la pression du milieu actif, et sur la face intérieure de cette paroi, une feuille métallique mince ( 20) génératrice de rayons X,

_ 14 -

une électrode émissive ( 8, 11) disposée dans l'enceinte en regard de la feuille génératrice et propre à émettre un flux d'électrons accéléré sous l'action d'un champ électrique, et un générateur de tension ( 7, 6) à temps de montée rapide propre à appliquer une impulsion de haute tension négative à l'électrode émissive par rapport à la paroi active de manière à créer un bombardement de la feuille génératrice par des électrons énergétiques et l'émission de rayons X par cette feuille en direction du milieu actif à travers la

plaque de soutien.

3/ Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit géné-

rateur de tension à temps de montée rapide comporte, d'une manière connue en elle-même: un "condensateur de déclencheur" ( 16),

un circuit de charge "de déclencheur" ( 17) à petite énergie pour char-

ger lentement ce condensateur,

une ligne de liaison ( 18) reliant ce condensateur à l'électrode émis-

sive d'électrons ( 8, 11),

et un manchon ferromagnétique ( 14) saturable à grande vitesse de satu-

ration, de manière que lorsqu'une tension négative est appliquée par le condensateur de déclencheur à l'électrode émissive à travers la ligne de liaison, la vitesse de croissance de l'intensité du courant électronique émis par cette électrode soit d'abord fortement limitée par l'inductance

apportée par le manchon ferromagnétique, avec application sur l'élec-

trode émissive d'une petite fraction de la tension du condensateur de déclencheur, et de manière que cette vitesse devienne très grande

lorsque ce manchon commence à se saturer magnétiquement, avec appli-

cation à l'électrode émissive de sensiblement la totalité de la tension

du condensateur de déclencheur.

4/ Laser selon la revendication 1 adapté à un fonctionnement à haute cadence de répétition, caractérisé en outre en ce que ledit générateur de rayonnement ionisant est constitué dans ladite cathode laser et comporte: une enceinte intérieure vide de gaz ( 9), une paroi métallique rigide ( 26), limitant cette enceinte en regard de l'anode, et transparente aux rayons X, - une électrode émissive d'électrons ( 28), une "cible ( 27) disposée dans cette enceinte en regard de cette paroi

de manière à émettre des rayons X en direction de ladite paroi rigide.

lorsqu'elle est elle-même bombardée par les électrons issus de l'élec-

trode émissive, un circuit ( 31) de refroidissement de ladite "cible", et un générateur de tension à temps de montée rapide ( 7, 6) propre à appliquer une impulsion haute tension négative à l'électrode émissive par rapport à ladite cible, de manière à créer un bombardement de ladite

cible par des électrons énergétiques et l'émission de rayons X en direc-

tion du milieu actif du laser à travers la plaque rigide -

/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit générateur de rayonnement fournit ladite impulsion de déclenchement en

un temps inférieur à 3 nanosecondes.