FR2615331A1 - Laser - Google Patents

Abstract

PROCEDE DE COMMANDE D'UN LASER A GAZ PROCURANT UNE PUISSANCE DE SORTIE ACCRUE PAR RAPPORT AUX LASERS USUELS DE MEME DIMENSION, ET LASER MODIFIE CONFORMEMENT A CE PROCEDE. ON ETABLIT UN CHAMP MAGNETIQUE AXIAL ET UN CHAMP ELECTRIQUE PARALLELE OU PERPENDICULAIRE AU CHAMP MAGNETIQUE, L'INTERACTION DE CES CHAMPS ENGENDRANT UNE INSTABILITE DE CONVEXION ACCRUE DE LA DECHARGE DE GAZ, QUI A POUR EFFET D'AUGMENTER LE TRANSFERT DE CHALEUR AUX PAROIS DU LASER. LA DECHARGE LASER EST AXIALE ET PARALLELE AU CHAMP MAGNETIQUE. LES COMPOSANTS DU LASER, A L'EXCEPTION DES MOYENS 27 D'ETABLISSEMENT DU CHAMP MAGNETIQUE ET DES MOYENS D'ETABLISSEMENT DU CHAMP ELECTRIQUE, SONT USUELS.

Description

2615331 1 La présente invention concerne un type per- fectionné de laser à

décharge de gaz. Elle vise en outre un procédé très efficace de refroidissement du plasma, qui permet d'obtenir une puissance de sortie sensible- 5 ment accrue par rapport aux lasers usuels de même dimen- sion, et des moyens pour effectuer un tel refroidisse- ment. Le procédé de refroidissement est basé sur l'uti- lisation d'un champ électrique orthogonal ou parallèle à un champ magnétique axial qui est de préférence sensi- 10 blement homogène, les paramètres de ces champs étant choisis de manière à établir une circulation de plasma apte à engendrer le transfert de chaleur requis avec les parois et l'évacuation de chaleur de la région cri- tique du système à effet laser. 15 L'un des modes spécifiques de mise en oeuvre de l'invention se rapporte à un laser coaxial à décharge de gaz, fermé aux deux extrémités par des miroirs, des moyens étant prévus pour superposer un champ magnétique axial d'intensité réglable et un champ électrique radial 20 perpendiculaire au champ magnétique sensiblement homo- gène, ou bien un champ magnétique axial et également un champ électrique axial, le laser fonctionnant dans des conditions d'écoulement gazeux prédéterminées, appro- priées à un refroidissement efficace de la région criti- 25 que d'amplification du laser, ce qui permet d'obtenir une puissance de sortie fortement augmentée. On connait diverses publications par V.A. Seguin et al, du Département des Etudes Electriques de l'Université d'Alberta, Edmonton, Alberta, Canada (voir Applied 30 Optics, Vol. 25, n 21, pages 3825-3829, 1er Novembre 1986 et références) décrivant une configuration semblable à celle de l'invention. On utilise dans ce cas un champ magnétique non homogène pouréviter des effets d'extrémité, produits par l'anode elle-même (anode/solénoide), la ca- 35 thode étant une électrode à bouton,creuse et à éléments 26 1 5 3 3 1 2 multiples. L'anode et la cathode sont toutes deux refroi- dies par un fluide diélectrique. La décharge de gaz est non auto-entretenue, magnétiquement stabilisée, photodéclenchée, renforcée par impulsions et électriauement 5 excitée (MAGPIE), et le mélange gazeux de C2 circule à travers la région d'amplification ou de gain, en cycle fermé, à l'aide de ventilateurs .à flux axial. Le champ magnétique est de 83 gauss environ et sa seule fonction est de stabiliser la décharge de gaz électrique et d'aug- 10 menter la charge de puissance du dispositif. Le champ magnétique est un champ faible et non homogène. L'invention a pour objet des perfectionnements des lasers à décharge de gaz, permettant d'obtenir une puissance de sortie sensiblement accrue par rapport aux 15 lasers usuels de la même dimension. L'invention a également pour objet un procédé d'utilisation d'un tel système laser qui élimine efficacement la chaleur de la région critique, permettant d'obtenir une plus grande puissance de sortie et d'utiliser complètement la région située en- 20 tre les électrodes pour l'effet laser. Des charges élevées peuvent être induites dans la région de gain, sans forma- tion d'arc. Un meilleur pompage moléculaire se produit du fait du plus grand trajet des électrons. L'invention a encore pour objet des lasers à 25 décharge de gaz comportant des moyens d'établissement d'un type prédéterminé de circulation de gaz engendrant une beaucoup plus grande évacuation de chaleur, ce qui procure de meilleures performances du laser et une plus grande puissance de sortie pour une dimension donnée de 30 laser. Avec des lasers coaxiaux à décharge de gaz, fermés à leurs extrémités par des miroirs appropriés, on prévoit des moyens d'établissement d'un champ magnétique axial sensiblement homogène et des moyens pour faire varier l'intensité de ce champ, et on prévoit des moyens d'é- 35 tablissement d'un champ électrique radial ou orthogonal, 2615331 3 ce champ électrique-étant capable d'ioniser le milieu gazeux du laser et de provoquer une inversion de popiula- tion dans la région de gain, ledit mélange gazeux (plas- ma} étant refroidi par convexion forcée engendrée par 5 l'interaction du plasma faiblement ionisé avec les champs magnétique et électrique'. Lorsqu'on augmente l'intensité du champ magnétique au-delà d'une certaine valeur criti- que, Bcrit, il en résulte une augmentation très rapide de la puissance de sortie. 10 L'augmentation de la puissance de sortie peut être de l'ordre de 5 fois et même dans certains cas de 10 fois ou davantage, par rapport à des lasers similaires ne comportant pas les moyens de refroidissement spécifi- ques de la présente invention. 15 Les lasers conformes à la présente invention peuvent fonctionnner dans une plage de pression de 3 torr environ à 200 torr environ ou davantage ; les champs magné- tiques appliqués varient entre la limite inférieure Bcrit et plus de 10000 gauss ; et la tension électrique appiquée 20 varie entre 100 V environ et 1000 V environ ou davantage. Par exemple, un laser à CO2 fonctionnant à une

pression de 20 torr peut travailler à une tension appli- quée de 600 V entre l'anode et la cathode (distantes de 20 mm), avec un champ magnétique axial de 300 gauss en- 25 viron et jusqu'à 500 gauss environ. Bien qu'elle soit applicable à divers types et diverses configurations de lasers, l'invention est illus- tré ci après en détail avec référence à deux dispositifs particuliers qui doivent bien entendu ne pas être considé- 30 rés comme limitatifs. Les lasers à décharge de gaz sui- vant l'invention, qui ont une puissance ae sortie sensible- ment accrue par rapport aux lasers usuels de même dimen- sion, comprennent essentiellement un tube de décharge ap- proprié, un résonateur optique, une cathode et une anode 35 prévues pour établir entre elles un champ électrique ,2615331 4 d'orientation et d'intensité prédéterminées, et un aimant prévu pour établir un champ magnétique ayant des lignes de force sensiblement perpendiculaires ou parallèles à celles du champ électrique, le champ magnétique étant un 5 champ axial. Avantageusement, des moyens sont prévus pour établir un écoulement continu de gaz ou pour renouveler le milieu gazeux. Suivant l'un des modes de réalisation, on utilise des électrodes tubulaires concentriques, l'une 10 étant une anode et l'autre une cathode, qui définissent également le tube de décharge. Celui-ci peut contenir un gaz ou un mélange gazeux de pression prédéterminée, géné- ralement faible. On peut prévoir des moyens pour faire cir- culer ce gaz ou ce mélange gazeux dans le tube de décharge. 15 Le système peut également être isolé. Des moyens sont prévus pour établir un champ électrique (E) entre l'anode et la cathode, par application d'une tension électri- que aux deux électrodes, les tensions étant généralement dans la plage de 100 V environ à 1000 V environ. Ce champ 20 électrique radial ou axial provoque l'ionisation du gaz ou des gaz dans le tube de décharge et une inversion de population. Afin d'éviter un "effet debord", on utilise avantageusement des tubes dont les extrémités sont éva- sées. 25 On prévoit des moyens de refroidissement usuels pour refroidir les électrodes,par exemple une circulation de fluide dans les électrodes et/ou l'utilisation de tu- yaux d'échange de chaleur pour évacuer la chaleur. Confor- mément à l'invention, on obtient un effet de refroidisse- 30 ment sensiblement plus grand par établissement d'une con- vexion forcée du mélange gazeux quiest due à l'interac- tion du champ électrique et du champ magnétique sur les entités ionisées et à l'effet "Lehnert-Hoh" pour les plasmas faiblement ionisés, également appelé "instabilité 35 convective de courant du plasma faiblement ionisé". Lors- 2615331 5 qu'on utilise un tube de décharge tubulaire allongé, la convexion forcée débute à certaines valeurs du champ ma- gnétique et cette convexion forcée entraîne une évacua- tion sensiblement augmentée de chaleur du plasma et une 5 puissance sensiblement augmentée de sortie d'un tel système laser. L'invention a encore pour objet un procédé de fonctionnement d'un laser, permettant d'obtenir une plus grande puissance de sortie, qui consiste à former un 10 plasma faiblement ionisé dans une configuration de laser à tube de décharge à basse pression, au moyen d'un champ électrique radial ou axial, et à superposer audit système un champ magnétique ayant une induction magnétique sensi- blement uniforme (B) qui est sensiblement parallèle à l'a- 15 xe du tube, les champs électrique et magnétique étant rè- glés de manière à établir une circulation forcée du mé- lange gazeux (plasma), ce qui a pour effet d'améliorer le refroidissement et d'augmenter la capacité de puissance du laser. 20 L'invention est applicable à une grande variété de lasers, tels que des systèmes à base de CO2, CO, NO2, eximères, etc. Le champ magnétique peut être établi par un aimant permanent ou engendré par un solénoide. Le champ électrique est engendré par application d'une ten25 sion continue à l'anode et à la cathode. Au lieu d'une tension continue constante et d'un champ magnétique cons- tant, on peut utiliser une combinaison d'un courant al- ternatif ou pulsé avec un champ magnétique en phase cor- respondant. Il est clair que , dans le cas de champs 30 électrique et magnétique parallèles E et B, les forces de Lorenz s'élèvent au-dessus de Bcrit et leur chemin de l'anode à la cathode est modifié en une orbite hélicol- dale autour de l'axe du tube. Puisque ce chemin est de plus grande longueur, il en résulte des collisions multi- 35 ples entre électrons et molécules, ce qui accroSt l'in- 2615331 6 version de population. L'application d'un fort champ ma- gnétique augmente la vitesse azimutale et engendre des écoulements secondaires à "Cellules de Taylor" ou des chemins hélicoïdaux, la transition à une telle configu- 5 ration d'écoulement se produisant à une valeur critique de l'induction magnétique pour laquelle la solution de plasma atteint un point de bifurcation. En outre, l'application d'un tel champ magnétique produit une

"pression apparente" P qui optimise le facteur E/P pour 10 le pompage optique de la molécule de gaz. Les autres composants du système laser sont usuels. Le résonateur optique peut comprendre deux mi- roirs perpendiculaires à l'axe du tube, l'un étant réflé- chissant à 100% et l'autre étant partiellement réfléchis- 15 sant. Les lasers suivant l'invention peuvent fonctionner avec des cavités externes ou internes. Lorsqu'on utilise un résonateur externe, le tube est fermé à ses deux extrémités et on prévoit des fenêtres appropriées, telles que des fenêtres de ZnSe, qui peuvent être centrées ou 20 décentrées et qui peuvent également être positionnées à un angle de Brewster. La dimension des fenêtres peut être modifiée comme désiré et elles peuvent être d'une dimen- sion couvrant seulement une partie de la région active, jusqu'à une dimension correspondant à la dimension totale 25 de cette région, ces miroirs étant placés à l'extérieur du tube de sorte que leur axe optique traverse la région de gain maximal. Lorsqu'on utilise un résonateur interne, les miroirs prennent la place des fenêtres des pièces de fermeture latérales. 30 On peut utiliser diverses configurations de systèmes laser et on décrit ci-après une configuration spécifique,avec référence à certaines des figures. La caractéristique principale de l'invention est le refroidissement très efficace du gaz ou du mé- 35 lange de gaz dans le tube de décharge, qui permet d'em- 2615331 7 ployer une puissance d'entrée beaucoup plus grande pour une dimension donnée de ce tube et qui engendre une très forte augmentation de la puissance de sortie pour un laser de dimension donnée. 5 Les systèmes laser suivant l'invention ont pour avantage d'être compacts, de construction simple et de comporter des composants peu coûteux, par exemple une alimentation économique du fait de l'emploi de basses tensions. 10 L'induction magnétique homogène permet d'utili- ser complètement tout l'espace entre les électrodes pour l'effet laser et on peut induire des densités de puissan- ce élevées dans la région de gain sans engendrer d'arc. Il existe généralement une valeur critique 15 de B, appelée "Bcrit", à laquelle l'écoulement secondaire commence, et une augmentation de l'induction magnétique au-delà de cette valeur permet d'obtenir une forte augmen- tation de la puissance de sortie. D'autres objets et avantages de l'invention 20 apparaîtront aux hommes de l'art à la lumière de la description détaillée ci-après de ses modes de réalisa- tion, non limitatifs, représentés sur les dessins anne- xés dans lesquels : les figures la, lb et lc illustrent la confi- 25 guration d'écoulement d'un plasma faiblement ionisé, sous l'influence de champs électrique et magnétique d'intensité variable ; la figure 2 est une coupe longitudinale à tra- vers un système laser tubulaire suivant l'invention ; 30 la figure 3 est une vue de face d'un miroir utilisé dans un système conforme à l'invention ; la figure 4 illustre un autre système laser conforme à l'invention, en coupe longitudinale partielle ; la figure 5 est une coupe suivant la ligne A-A 35 de la figure 4 ; 2615331 8 la figure 6 illustre une configuration de mi- roirsd'un système laser suivant l'invention ; la figure 7 illustre un autre laser suivant l'invention ; et 5 les figures 8a à 8f sont des coupes longitudi- nales de diverses autres configurations conformes à la présente invention. Comme représenté sur les figures la, lb et lc respectivement, un tube de décharge à basse pression de 10 gaz d'un système laser suivant l'invention comprend deux électrodes concentriques 11 et 12, à savoir une ano- de 11 et une cathode 12, ces électrodes étant raccordées à une source de courant continu appropriée fournissant une tension del'ordre de 100 V environ à 1000 V environ 15 ou davantage. Les lignes du champ électrique radial ré- sultant sont indiquées par E et engendrent un champ r électrique radial d'intensité désirée dans la colonne positive de la décharge. On utilise un solénoïde ou un aimant permanent, non représenté, pour produire un 20 champ magnétique, avantageusement d'intensité réglable, l'induction magnétique étant sensiblement parallèle à l'axe du tube et étant désignée par B. Les substances gazeuses sont ionisées et la combinaison du champ électrique et du champ magnétique 25 engendre d'abord (pour une petite force magnétique) une trajectoire illustrée sur la figure la. Une augmentation du champ magnétique provoque un changement à la configu- ration d'écoulement illustrée schématiquement sur la figure lb, en "cellules de Taylor". Une nouvelle augmen- 30 tation du champ magnétique provoque, à une certaine va- leur, la création d'une configuration d'écoulement du type à cellules de Taylor, illustrée sur la figure lc ; cet écoulement a pour effet d'augmenter beaucoup le transfert de chaleur du plasma vers les éléments d'éva- 35 cuation de chaleur (cellules extérieures) du système. 2615331 9 On se reporte à la figure 2 qui illustre les éléments principaux d'un système laser suivant l'inven-

tion. Le système laser comprend, en combinaison, un tube à décharge de gaz défini par une anode 21, qui est un 5 élément tubulaire de diamètre intérieur d2, et par une ca- thode concentrique 22 de diamètreextérieur d1, définis- sant un passage 23 de décharge de gaz dans lequel est présent un gaz ou un mélange gazeux sous une pression prédéterminée. L'anode métallique 21 est avantageusement 10 un cylindre en acier inoxydable comportant une collerette 24 à profil de Rogovsky ou similaire pour éviter des ef- fets d'extrémité du plasma faiblement ionisé dans la région de gain 23. Un autre élément tubulaire 25 définit, autour de l'anode 21, une chemise dans laquelle on fait 15 circuler un fluide de refroidissement 26. A la place, on peut prévoir pour ce refroidissement un tube coaxial d'échange de chaleur. L'élément tubulaire 25 est entouré par un aimant 27 qui peut également être refroidi par le fluide de refroidissement 26. Cet aimant 27 peut être un 20 aimant permanent, un aimant de Bitter, un solénoide ou un aiment supra-conducteur. Il est conçu de manière à produire une induction magnétique B sensiblement homogène, parallèle à l'axe de l'électrode 28 du tube de laser à gaz dans la région de gain 23. 25 L'aimant peut être un aimant permanent ou un aimant réglable. Le vecteur d'induction magnétique B doit être au moins d'une intensité prédéterminée, ou supérieure à la valeur critique Bcrit,qui est fonction de la longueur du tube'L, du diamètre effectif du tube 30 de décharge (d2-d1), du courant de décharge ID, de la pression de gaz dans le tube de décharge, et de la vis- cosité du mélange de plasma. Sans être limité par la théorie, l'inventeur pense que l'intensité du champ Bcrit peut être diminuée lorsque le rapport d'aspect augmente. 35 La valeur Bcrit augmente lorsque la pression diminue. 2615331 10 Il est prévu des tubes 29 et 30, de préférence en ma- tière non métallique, qu'on peut utiliser pour faire circuler un gaz ou un mélange gazeux dans le tube de décharge, à un débit donné, afin d'éviter la dissociation 5 des molécules à effet laser. La cathode 22 peut égale- ment être fabriquée en acier inoxydable ou en un autre métal résistant à la corrosion, avec une collerette 31 à profil Rogovsky ou similaire afin d'éviter les effets d'extrémité. La cathode 22 est refroidie par un fluide 10 circulant dans une région centrale 32, ou bien elle peut être un tube d'échange de chaleur à collerettes Rogovsky 31. La cathode 22 peut également être un fil de tungstène qui peut être refroidi par effet Peltier. Des cylindres diélectriques 33 et 34 sont pré- 15 vus aux extrémités de l'anode 21. A la place de ces cy- lindres, on peut prévoir des couches d'émail ayant la même configuration, qui s'étendent de l'extrémité de l'a- node (profil Rogovsky) à l'extrémité du tube. On peut éventuellement appliquer un catalyseur aux cylindres 33 20 et 34 pour diminuer la dissociation des molécules de gaz dans des opérations en position d'isolement. Le système laser représenté sur les figures 4 et 5 comprend, en combinaison, un conduit central de fluide 41 auquel sont fixées deux électrodes 42 et 43 25 servant d'anodes, entourées par une structure tubulaire 44 aux parois intérieures supérieure et inférieure de laquelle sont fixées deux cathodes 45 et 46 respective- ment dont les limites présentent des collerettes 47 et 48 d'un certain type Rogovsky. Les anodes et les catho- 30 des sont fabriquées en un alliage métallique résistant à la corrosion, tel que l'acier inoxydable. A l'intérieur du conduit 41, qui est fabriqué en matière diélectrique, on fait circuler de l'eau ou un autre fluide approprié. Un liquide circule également dans un espace 49. Un ai- 35 mant 50, superposé coaxialement à la structure laser, 2615331 21 engendre un champ magnétique coaxial ayant une intensité de champ B. Il existe deux sections d'amplification ou de gain, 51 et 52,dans lesquelles est contenu un gaz ou un mélange gazeux à une pression prédéterminée. Ce gaz 5 peut être mis en circulation par l'intermédiaire de tu- yaux 53 et 54, ou renouvelé comme nécessaire par ces tu- yaux. On peut prévoir une pluralité de tubes d'échange de chaleur 55, pour l'évacuation de la chaleur. L'aimant 50 peut être un aimant permanent ou un solénoide. On 10 applique une tension continue aux anodes et aux cathodes pour établir un champ électrique entre celles-ci, le champ magnétique étant perpendiculaire au champ électrique. Les forces de Lorentz résultantes engendrent une circula- tion du plasma dans les régions 51 et 52 et la chaleur 15 est évacuée principalement par les tubes d'échange de chaleur 53 et 54. L'intensité du champ magnétique n'est pas déterminante dans cette configuration particulière et même un champ relativement 'faible donne une nette aug- mentation de capacité de puissance. Le résonateur est 20 doublé par deux miroirs plans 55 et 56, ayant un pouvoir réfléchissant de 100%, qui sont de forme rectangulaire et définissent entre eux un angle de 90 . Il est prévu

un miroir métallique 57 à pouvoir réfléchissant total, à courbure cylindrique et de forme rectangulaire. Il est 25 également prévu un miroir de couplage de sortie 58, de pouvoir réfléchissant prédéterminé de façon à optimiser l'émission laser de la région de gain. On peut également utiliser une configuration de résonateur cylindrique ins- table doublé, comme illustré sur la figure 6. D'une ma- 30 nière analogue, on prévoit aux extrémités de la cathode 22 des cylindres diélectriques 35 et 36, respectivement, ou des revêtements correspondants d'émail ou de matière analogue, avec une bonne jonction à la cathode. A l'ex- trémité des anodes/cathodes, on prévoit un miroir de ré- 35 sonateur 37 et un miroir partiellement réfléchissant 38, 2615331 12 la distance S étant choisie de manière à éviter des pro- jections sur lesdits miroirs. On peut choisir diverses configurations pour le résonateur, par exemple comme in- diqué ci-après. 5 a. Le miroir 37 est un miroir à réflexion totale com- portant des revêtements de renforcement de réflexion, le miroir 38 est un miroir à réflexion partielle (toroidal), avec une transmissivité prédéterminée pour optimiser le petit gain de signal dans la ca- 10 vité de résonance. b. On utilise une configuration à passes multiples, comme décrit par J. G.Xin et D.R. Hall, Optics Communi- cations 58, 420-6 (1986). c. Le miroir de résonateur instable 37 est un miroir mé- 15 tallique toroidal à réflexion totale et le miroir 38 est un miroir du type illustré sur la figure 3. d. On utilise un résonateur instable comme décrit dans Appl. Phys. Lett. 52 (7) 15.2.88 par Yasni et al. Comme représenté sur la figure 3, le miroir 20 38 est un miroir de couplage de sortie constitué de deux parties, à savoir une fenêtre toroidale comportant des re- vêtements anti-réfléchissants,qui définit les sections 39, et un secteur 40 en forme d'anneau réfléchissant (mi- roir annulaire) qui donne une réflexion totale et qui est 25 dans la région de gain de signal faible maximal. Dans toutes les configurations décrites ci- dessus, il est prévu une étanchéité au vide. On peut faire circuler le milieu gazeux de façon continue ou le renouve- ler comme nécessaire par l'intermédiaire des canalisations 30 représentées sur la figure 2. Le laser peut également fonctionner en courant alternatif, avec permutation des fonctions des électrodes et avec utilisation d'une variation du champ magnétique à la même fréquence. Lorsque le champ magnétique augmente, 35 à une certaine intensité de champ Bcrit, il se produit une 2615331 13 augmentation très rapide et importante de la puissance de sortie, qui est sensiblement proportionnelle à une nouvelle augmentation du champ magnétique B. Cette augmen- tation de l'intensité du champ magnétique implique une 5 augmentation de la tension de décharge,ce qui permet d'aug- menter la puissance d'entrée pour un courant de décharge fixe. La plus grande puissance d'entrée engendre une aug- mentation très importante de la puissance de sortie, et on peut facilement atteindre une augmentation de 5 fois 10 ou davantage par rapport à un laser similaire ne compor- tant pas le système de refroidissement suivant la présen- te invention. Dans certains cas, on atteint une augmenta- tion de 10 fois ou même davantage. A titre d'exemple, on a construit un laser con- 15 forme à la figure 2, ayant un diamètre intérieur dl de 3 mm, un diamètre extérieur d2 de 31 mm et une longueur de région de gain de 310 mm environ. Ce laser était un laser à CO2, à une pression de 20 torr, et il fonction- nait à une tension appliquée de 600 V environ et avec 20 un champ magnétique supérieur à 1000 gauss et un courant de décharge supérieur à 3 ampères. La puissance de sortie dépend du type de dis- positif optique de résonance utilisé et, avec des ré- sonateurs usuels bien conçus, on peut atteindre une puissance de sortie bien supérieure à 20% de la puissance d'entrée. Lorsqu'on utilise une entrée aussi élevée, avec un laser refroidi par diffusion et isolé, ayant une ré- gion de gain de dimensions similaires, il se forme géné- 30 ralement un arc. Jusqu'à présent, on avait essayé d'effectuer un refroidissement efficace au moyen de ventilateurs et d'échangeurs de chaleur compliqués et coûteux, mais sans obtenir les résultats avantageux des lasers suivant la 35 présente invention. Les lasers à CO2 à écoulement lent 2615331 14 ne peuvent pas supporter de telles puissances d'entrée avec un volume de gain tel qu'indiqué dans l'exemple ci- dessus. Diverses autres configurations et conditions 5 de fonctionnement ont été essayées et il est clair que le système de refroidissement suivant la présente inven- tion, basée sur l'interaction d'un champ électrique et d'un champ magnétique au-dessus d'une certaine valeur, sur un milieu à effet laser approprié, engendre une très 10 nette augmentation de la puissance de sortie pour une di- mension de laser donnée. La figure 8 illustre d'autres modes de réalisa- tion et d'autres configurations géométriques conformes

à la présente invention.

15 La figure 8a est une coupe longitudinale d'un solénoide ou d'un aimant permanent à alésage cylindrique dans lequel on peut insérer les différentes configura- tions de laser ; la figure 8b est une coupe longitudinale d'une 20 configuration de laser semblable à celle qui est repré- sentée sur la figure 2 ; la figure 8c est une coupe longitudinale d'une configuration géométrique différente pour un laser sem- blable à celui qui est représenté sur la figure 4 ; 25 la figure 8d est une coupe suivant la ligne indiquée sur la figure 8c ; la figure 8e est une coupe longitudinale d'une cathode creuse semblable à celle qui est utilisée dans le laser représenté sur la figure 7 ; et 30 la figure 8f est une coupe longitudinale d'un ensemble d'anode-cathode du type appelé dans la littéra- ture type à décharge-P.I.G., utilisable dans les lasers suivant l'invention. Bien que la demanderesse ne désire pas être limitée par une théorie scientifique particulière, on pense 2615331 15 que le principe physique de la présente invention est l'instabilité des courants de convexion d'une décharge de gaz,comme décrit par L. Lehnert; Compte Rendu P/146 de la Deuxième Conférence Internationale U.S. sur les 5 Utilisations Pacifiques de l'Energie Atomique, Genève 1958,et qui est également décrite comme "instabilité de plasma" par V.V. Kadomtsev et A.V. Nedospasov dans J. Nuclear Energy C 1, 230 (1960). L'instabilité du plasma apparaît à une intensité critique du champ magné- 10 tique, Bcr, et, pour un champ magnétique B<Bcr, les équa- tions de diffusion ambipolaire sont valables. Dans le régime de diffusion ambipolaire, le champ électrique diminue lorsque le champ magnétique augmente jusqu'à une valeur B > Bcr o se produit une anomalie de diffusion dé- 15 crite par D. Bohm (A Guthrie & R. Wakerling : The charac- teristics of Electric Discharges in Magnetic Fields, Mc Graw Hill, N.Y. 1949), et le champ électrique augmente à nouveau avec B > Bcr. On peut appliquer le principe ci- cr' dessus à un laser du type illustré schématiquement sur la 20 figure 7 qui représente un laser à passage cylindrique refroidi extérieurement par de l'eau,qui est placé dans un champ magnétique axial homogène. L'anode et la cathode sont des électrodes creuses à l'extrémité du passage cylin- drique,dans lequel un simple résonateur stable ou instable 25 à éléments sphériques est également placé et réglé. Pour B > Bcr, la configuration d'écoulement du plasma faible- ment ionisé est un écoulement hélicoidal, le champ élec-trique étant parallèle à B pour B < Bcr, et devenant à composante radiale et azimutale pour B > B cr 30 Le laser peut être un laser isolé ou un laser à cycle ouvert. Les éléments principaux d'un tel laser sont illustrés sur la figure 7. Sur cette figure, le repère 71 désigne un aimant permanent ou un solénoïde qui entoure le laser comprenant 35 un cylindre 72 en matière thermiquement isolante qui défi- 2615331 16 nit la partie extérieure du laser et de la chemise de fluide de refroidissement. Des orifices 73 et 74 sont prévus pour la sortie et l'entrée du fluide de refroi- dissement. La cathode 77 est une cathode creuse, de 5 même que l'anode 76,et elles sont toutes deux connectées par l'intermédiaire d'un cylindre 75 en matière élec- triquement isolante et de bonne conductivité thermique. Il est prévu un résonateur'du type à branchement positif instable, et des miroirs sphériques 78 et 82 respective- 10 ment sont prévus aux extrémités de la structure tubulaire. Le repère 79 désigne une fenêtre plane à revêtement AR/AR. Le milieu gazeux peut être introduit à l'intérieur du laser dans la région du plasma 85, par une tubulure d'entrée 80, et il peut être extrait par une tubulure 15 de sortie 81. Le résonateur instable décrit est soutenu par les deux supports de miroir 83 et 84. Il est entendu que la description ci-dessus est seulement illustrative et qu'on peut y apporter des modifications dans la nature et l'agencement des compo- 20 sants, sans sortir du cadre de l'invention. 2615331 17

Claims (11)

Revendications

1. Procédé pour le fonctionnement d'un laser du type à décharge de gaz, comprenant l'alimentation d'un tube à décharge de gaz avec un gaz ou un mélange gazeux à une pression prédéterminée, caractérisé en ce 5 qu'il consiste à établir un champ électrique d'une cer- taine direction à travers ledit mélange gazeux,de ma- nière à ioniser les substances gazeuses, et à établir un champ magnétique perpendiculaire ou parallèle au champ électrique, ledit champ magnétique étant un champ axial, 10 ladite interaction de ces champs avec les substances ionisées engendrant une circulation du plasma qui a pour effet d'améliorer le transfert de chaleur de la région de gain aux parois, autorisant une plus grande puissance d'entrée et procurant une plus grande puissance de sortie 15 du laser comparativement aux lasers usuels de la même di- mension.

2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel les substances gazeuses sont confinées dans un espace annulaire entre une électrode axiale et une élec- 20 trode tubulaire coaxiale, caractérisé en ce que le champ électrique est un champ radial, l'intensité du champ élec- trique et du champ magnétique étant telle qu'une circula- tion du plasma est engendrée dans ledit espace annulaire entre les électrodes,et en ce que des moyens sont prévus 25 pour évacuer la chaleur du système.

3. Dispositif laser à décharge de gaz ayant une puissance de sortie sensiblement accrue par rapport à celle d'un laser usuel de même type et de mêmes dimensions de région de gain, qui comprend un tube à décharge de gaz 30 (23) pourvu de moyens de maintien d'une pression prédéter- minée, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'éta- blissement d'un champ électrique suivant une certaine di- rection à travers ledit gaz et des moyens (27) d'établis- sement d'un champ magnétique axial perpendiculaire au 2615331 18 champ électrique, et un système usuel de miroirs optiques comportant des miroirs (37,38) opposes et en face l'un de l'autre aux extrémités du tube de décharge, l'émission laser résultante étant parallèle à la direction du champ 5 magnétique.

4. Laser suivant la revendication 3, dans lequel le gaz ou le mélange gazeux est confiné dans un espace annulaire (23) entre des éléments tubulaires co- axiaux concentriques (21,22), caractérisé en ceque le 10 champ électrique est un champ radial, le champ magnétique est essentiellement un champ axial, et le champ magnéti- que est supérieur à une valeur critique prédéterminée, ce qui a pour effet d'engendrer une circulation forcée du milieu gazeux ionisé ou plasma faiblement ionisé, et 15 en ce que des moyens d'évacuation de chaleur (25,32) sont prévus pour l'évacuation efficace de l'énergie thermique à partir des limites de la région à effet laser.

5. Laser suivant la revendication 3 ou 4, ca- ractérisé en ce qu'il comprend deux tubes coaxiaux élec- 20 triquement conducteurs (21,22) comportant à leurs extré- mités des collerettes (24,31) de type Rogovsky, des moyens pour emprisonner un milieu gazeux à une pression prédéterminée dans l'espace défini entre lesdits tubes, des mo- yens pour faire circuler ce milieu gazeux comme nécessaire, 25 des moyens d'établissement d'un champ électrique radial entre les deux éléments tubulaires (21,22), des moyens (27) d'établissement d'un champ magnétique perpendiculaire audit champ électrique, des miroirs appropriés (37,38) étant prévus en face dudit espace entre les tubes, aux 30 extrémités de ces derniers, et des moyens d'évacuation de chaleur étant prévus pour évacuer la chaleur de la ré- gion de gain du laser pendant le fonctionnement de celui- ci.

6. Laser suivant l'une quelconque des revendi- 35 cations 3 à 5, caractérisé en ce que la pression est 2615331 19 maintenue entre 3 torr environ et 200 torr environ, la tension appliquée varie entre 100 V environ et 1000 V en- viron, et le champ magnétique est compris entre un champ magnétique critique et 10000 gauss environ. 5

7. Laser suivant l'une quelconque des reven- dications 3 à 6, caractérisé en ce que l'aimant (27) utilisé-est un aimant permanent, un solénoïde, un aimant à supra-conducteur ou un aimant de Bitter.

8. Laser suivant l'une quelconque des revendica- 10 tions 3 à 7,caractérisé en ce que les moyens d'évacua- tion de chaleur comprennent des échangeurs de chaleur à circulation de fluide ou des tubes d'échange de chaleur.

9. Laser suivant l'une quelconque des revendica- tions 3 à 8, caractérisé en ce que le milieu gazeux uti- 15 lisé est du CO2, CO, NO2, un eximère ou tout autre gaz ou mélange gazeux approprié.

10.Laser suivant l'une quelconque des revendica- tions 3 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité optique interne ou externe. 20

11. Laser suivant la revendication 3, carac- térisé en ce qu'il comprend un élément central allongé (41) à deux faces duquel sont appliquées des électrodes (42,43), un conduit (44) entourant cette structure et au- quel sont appliquées deux électrodes (45,46) en face de 25 l'autre paire d'électrodes, chacune desdites paires d'é- lectrodes étant reliée aux différents pôles d'une source de tension continue, un milieu gazeux à une pression pré- déterminée étant introduit dans l'espace (51,52) défini par ledit conduit et entre lesdites paires d'électrodes, 30 des moyens étant prévus pour faire circuler un tel gaz ou mélange gazeux à travers ledit espace ou pour renou- veler ce gaz, un aimant (50) étant prévu autour de l'en- semble de la structure de manière à engendrer un champ magnétique perpendiculaire audit circuit électrique, des 35 moyens de conduction de la chaleur (55) étant prévus 2615331 20 dans ledit espace entre les paires d'électrodes, lesdits champs électrique et magnétique provoquant une circula- tion du plasma qui se trouve dans ledit espace,pendant le fonctionnement du laser,de manière à abandonner de la 5 chaleur aux moyens de conduction de chaleur, et un sys- tème optique usuel approprié étant prévu pour le fonc- tionnement du laser.