CA1038954A - Fenetre optique menagee dans une tete laser - Google Patents
Fenetre optique menagee dans une tete laserInfo
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Abstract
Dispositif optique comportant deux éléments optiques en germanium disposés parallèlement l'un à l'autre et destinés à être traversés par un faisceau laser CO2 de forte puissance ; de l'hélium à basse température circule entre les deux éléments optiques et un flux d'azote sec est dirigé vers au moins une des faces d'entrée et de sortie du dispositif.Application aux lasers CO2 de forte puissance.
Description
~038954 `La présente invention concerne les dispositifs optiques et plus particulièrement les dispositifs optlques destinés ~ être trav~rsés par un falsceau lurnineux de longueur d'onde 10,6 microns environ, obtenu par exemple au moyen d'un laser à anhydride carbonique.
Le problèms se pose sn partirulier pour réaliser une fenetre optique ménagée dans une t~te laser pour laisser passer le faisceau lumineux produit par un mélangs actif gazeux contenu dans cette têts.
Le probl~me se pose ~galement lorsqu'on veut réaliser une lentille pour focallser un faisceau lassr de la longueur d'onde indiquée ci-des~us, On szit que ces dispositlfs optiques sont réalis~s en un matérlau transparent à cqtte longueur d'onde, par exemple le germanium ou certains composés ssmiconducteurs formés de mélanges arsenic-gallium, cadmium-tellure ou zinc-sél~nlum.
Csrtolns de ce5 matériaux pr~sentent l'lnconvénlent de posséder jun coefficient d'obr~rptlon lumlneux croissant lorsqu0 la tempfiraturq crolt. Sl on les utillse sans prficautions pflrticulieres pour r~allser un dlspositif optlque destiné ~ etre traversé per un faisceau lumineux de ~orte pulss~ncrd, 1'6chzuffement subi par ce dispositif a tendance à augmenter ¦ 20 ou fur et ~ mesure du passage du faisceau lumineux. On assiste à un phéno-mbne d'emballement thermique et le dispositif optlque est rapidement détruit par échauffement, Oe plus lorsqu'on utllise ces matérlaux à 13 réalisation de dlspo~itifs optlques et qu'on cherche à les refroidlr pour évlter le phéncmène d'embollement thermlque, l'humiditfi de l'air ambiant se dépose sur 18s faces du dlsposltlf pour former une couche de buée ou de glvre absorbant une part importante de l'énergie du faisceau la~er.
iLa présente inventlon a pour but de remédier à ces inwnvénients jet de réalissr un dispositif optique en l'un des mat~riaux semlcnnducteurs '~ 30 cités cl-de5susJ muni de moyens pour éviter l'échauffement lorsqu'll est ,~ .
~38954 traversé par un faisceau lumineux de forte puissance. Un autre but ds la pr~ent~ invention 0st de réaliser un dispositif qui conserve ses qualités optiques intactes quel que sn~t le degré hygrom~trique de l'air ambiant.
La présente invention a pour objet un dispositif optique compre-nant deux ~l~ments optiques comportant chacun deux faces optiques oentrées sur un même axe, dispositif destin~3 à ~trs travers~ sulvant ledit axe par un falsceau lumineux dont la longueur d'onde est d'envlron 10.6 mlcrons, les faces desdits éléments étant rev~tues d'uns couche antiréfléchlssante pour ladite longueur d'onde, une dss faces de chaque él~ment étant plane, ! 10 lesdits éléments étant dlsposés de manlère que ces faces plans6 soient en regard l'une de l'autre, lesdites -Facss planes étant de dimenslons sensi-blement identiques, les autres faces desdlts éléments formant respective-ment le8 faces d'entr~e et de sortie du dispositlf optlque, lesdlts élément~ optiques étant r~alisés en un matériau cholsl parmi le germanlum, un m~lange d'arssnic et ds gallium, un mélange de cadmium et de tellu~e et un mélan~e de zinc nt de sélénium, coractéris~ par le fflit qu'll oomporte des moyens pour Faire clrculer dans l'esp3ce compris entre lesdites faces plane~ un fluide de refroidissement transparent à la lumière dudlt faisceau, cette circulation s'effectuant suivant une direction senslblement perpendl-culaire audit axe, et des moyens pour diriger sur au moins une desdites faces d'entrée et de sortle un flux d'un gaz sec transparent ~ ladite lumière~
L'invention est décrite ci-dessus en regard du dessin annexé à
~, titre illustratif mais nullement limitatif dans lequel la figurs unique représente un mode de réalisation du dlspositlf selon l'inventlon.
' Sur cette figure, la référence 1 désigne une tete laser remplie ! d'anhydride carbonique, délimitée par un cylindre Z. La t~te laser 1 est apte à émettre un faisceau lumineux de lon~ueur d'Dnde 10,6 mlcrons sulvant 1 l'axe 3 du cylindre 2. Pour permettre la sortie du faisceau, est disposée une fenetre 4 comprenant deux disques 5 et 6 en germanium polycristallin '
Le problèms se pose sn partirulier pour réaliser une fenetre optique ménagée dans une t~te laser pour laisser passer le faisceau lumineux produit par un mélangs actif gazeux contenu dans cette têts.
Le probl~me se pose ~galement lorsqu'on veut réaliser une lentille pour focallser un faisceau lassr de la longueur d'onde indiquée ci-des~us, On szit que ces dispositlfs optiques sont réalis~s en un matérlau transparent à cqtte longueur d'onde, par exemple le germanium ou certains composés ssmiconducteurs formés de mélanges arsenic-gallium, cadmium-tellure ou zinc-sél~nlum.
Csrtolns de ce5 matériaux pr~sentent l'lnconvénlent de posséder jun coefficient d'obr~rptlon lumlneux croissant lorsqu0 la tempfiraturq crolt. Sl on les utillse sans prficautions pflrticulieres pour r~allser un dlspositif optlque destiné ~ etre traversé per un faisceau lumineux de ~orte pulss~ncrd, 1'6chzuffement subi par ce dispositif a tendance à augmenter ¦ 20 ou fur et ~ mesure du passage du faisceau lumineux. On assiste à un phéno-mbne d'emballement thermique et le dispositif optlque est rapidement détruit par échauffement, Oe plus lorsqu'on utllise ces matérlaux à 13 réalisation de dlspo~itifs optlques et qu'on cherche à les refroidlr pour évlter le phéncmène d'embollement thermlque, l'humiditfi de l'air ambiant se dépose sur 18s faces du dlsposltlf pour former une couche de buée ou de glvre absorbant une part importante de l'énergie du faisceau la~er.
iLa présente inventlon a pour but de remédier à ces inwnvénients jet de réalissr un dispositif optique en l'un des mat~riaux semlcnnducteurs '~ 30 cités cl-de5susJ muni de moyens pour éviter l'échauffement lorsqu'll est ,~ .
~38954 traversé par un faisceau lumineux de forte puissance. Un autre but ds la pr~ent~ invention 0st de réaliser un dispositif qui conserve ses qualités optiques intactes quel que sn~t le degré hygrom~trique de l'air ambiant.
La présente invention a pour objet un dispositif optique compre-nant deux ~l~ments optiques comportant chacun deux faces optiques oentrées sur un même axe, dispositif destin~3 à ~trs travers~ sulvant ledit axe par un falsceau lumineux dont la longueur d'onde est d'envlron 10.6 mlcrons, les faces desdits éléments étant rev~tues d'uns couche antiréfléchlssante pour ladite longueur d'onde, une dss faces de chaque él~ment étant plane, ! 10 lesdits éléments étant dlsposés de manlère que ces faces plans6 soient en regard l'une de l'autre, lesdites -Facss planes étant de dimenslons sensi-blement identiques, les autres faces desdlts éléments formant respective-ment le8 faces d'entr~e et de sortie du dispositlf optlque, lesdlts élément~ optiques étant r~alisés en un matériau cholsl parmi le germanlum, un m~lange d'arssnic et ds gallium, un mélange de cadmium et de tellu~e et un mélan~e de zinc nt de sélénium, coractéris~ par le fflit qu'll oomporte des moyens pour Faire clrculer dans l'esp3ce compris entre lesdites faces plane~ un fluide de refroidissement transparent à la lumière dudlt faisceau, cette circulation s'effectuant suivant une direction senslblement perpendl-culaire audit axe, et des moyens pour diriger sur au moins une desdites faces d'entrée et de sortle un flux d'un gaz sec transparent ~ ladite lumière~
L'invention est décrite ci-dessus en regard du dessin annexé à
~, titre illustratif mais nullement limitatif dans lequel la figurs unique représente un mode de réalisation du dlspositlf selon l'inventlon.
' Sur cette figure, la référence 1 désigne une tete laser remplie ! d'anhydride carbonique, délimitée par un cylindre Z. La t~te laser 1 est apte à émettre un faisceau lumineux de lon~ueur d'Dnde 10,6 mlcrons sulvant 1 l'axe 3 du cylindre 2. Pour permettre la sortie du faisceau, est disposée une fenetre 4 comprenant deux disques 5 et 6 en germanium polycristallin '
- 2 -, , 1~38954 centr~s l;ur l'axe 3, de dimensions sensiblement identiques. Une face 7 du disque 6 constituant la face d'entrée de la fenêtre 4 est plaquée contre une base du cylindre 2, un Joint torique non représenté pouvant être disposé sntre cette base et la face 7 pour assurer l'étanchéité au gaz. La face plane 8 du disque 6 est disposée en regard d'une face plane 9 du dlsque 5 et l'autre face 10 du disque 5 forme la face de sortie de la fenetre 4.
Pour un dlamètre de 30 cm de la fenêtre 4, l'épaisseur des dlsques est de 5 mm et la distance entre les faces 8 et 9 est de l'ordre de 1 mm. Les faces 7, 8, 9 et 10 sont revêtues d'un traitement antiréfléchis-sent pour la lumière de longueur d'onde 10,6 microns, afin d'~vlter toute perte d'snergie du faisceau laser émis par la tête 1.
Pour refroldir la fenetre 4, on falt clrculer dans l'espacs 11 compri~ E~ntrs les faces 8 et 9, perpendiculalrement ~ l'axe 3, un flulde ds refroldl~sement qui e~t avantageusement de l'héllum ~ tr~ b~e t~mpE~ra-ture. Pour cel~, un manchon 12 e~t flxé intérieurement sur le3 bords des disque~ 5 et 6 de manière à entourer l'espace 11. Le manchon 12 est muni d'une ouverture d'EmtrE~e 13 st d'une ouverture de ~ortie 14 du flulde de refroldis5ement. Ces ouvertures sont raccordées rE~spectivement aux deux Z extrÉ~mltés d'une canali5atlon 15 remplie d'hélium et dont la paroi extérieure peut etre avantageuBement recouvsrte d'un revetement 16 isolant thermi-quement. Une soufflerie composée d'au molns un ventilateur 17 entralné en rotation à l'aide d'un moteur 18 est dlsposée à l'intérieur de cette canall-~ation pour faire clrculer l'hélium dans le sens de l'ouverture de sortie 14 vers l'ouverture d'entrée 13. Sur le tra~et de l'hélium est di3posé, dans la canallsatlon 15 un échangeur thermique qui peut ~tre constitué d'un serpentin 19 raccordé 3 une boutellle d'azote liquids 20 par l'intermédiaire d'une vanne Z1. Entrs chaque ouverturs 13 et 14 et l'extrémité correspon-dante de la canalisation 15, on peut prE~voir un organe de raccordement Z2 et
Pour un dlamètre de 30 cm de la fenêtre 4, l'épaisseur des dlsques est de 5 mm et la distance entre les faces 8 et 9 est de l'ordre de 1 mm. Les faces 7, 8, 9 et 10 sont revêtues d'un traitement antiréfléchis-sent pour la lumière de longueur d'onde 10,6 microns, afin d'~vlter toute perte d'snergie du faisceau laser émis par la tête 1.
Pour refroldir la fenetre 4, on falt clrculer dans l'espacs 11 compri~ E~ntrs les faces 8 et 9, perpendiculalrement ~ l'axe 3, un flulde ds refroldl~sement qui e~t avantageusement de l'héllum ~ tr~ b~e t~mpE~ra-ture. Pour cel~, un manchon 12 e~t flxé intérieurement sur le3 bords des disque~ 5 et 6 de manière à entourer l'espace 11. Le manchon 12 est muni d'une ouverture d'EmtrE~e 13 st d'une ouverture de ~ortie 14 du flulde de refroldis5ement. Ces ouvertures sont raccordées rE~spectivement aux deux Z extrÉ~mltés d'une canali5atlon 15 remplie d'hélium et dont la paroi extérieure peut etre avantageuBement recouvsrte d'un revetement 16 isolant thermi-quement. Une soufflerie composée d'au molns un ventilateur 17 entralné en rotation à l'aide d'un moteur 18 est dlsposée à l'intérieur de cette canall-~ation pour faire clrculer l'hélium dans le sens de l'ouverture de sortie 14 vers l'ouverture d'entrée 13. Sur le tra~et de l'hélium est di3posé, dans la canallsatlon 15 un échangeur thermique qui peut ~tre constitué d'un serpentin 19 raccordé 3 une boutellle d'azote liquids 20 par l'intermédiaire d'une vanne Z1. Entrs chaque ouverturs 13 et 14 et l'extrémité correspon-dante de la canalisation 15, on peut prE~voir un organe de raccordement Z2 et
- 3 -~38954 23 de forme tronconique de manière 3 réaliser une décroissance progressive de la section de passage de l'héliu~ de ladite extrémité a ladite ~uver-ture.
Pnur empecher la formation de givre sur la face de sortie 10 db la fen~tre 4, on dirige vers cette face un flux d'un gaz sec tel que l'azote. Pour cela on utilise un manchon 24 co~portant dans sa paroi une chambre annulaire 25 d'où part une pluralité de canaux tels que 26 obliquss par rapport au plan ds la fa oe 10 du dlsque 5 st convsrgsnts vsrs cette face. La chambre annulairs 25 est rellée par l'intermédlaire d'une vanne 27 à uns boutsille d'azote 2B.
Lorsqu'on ouvrs la vanne 21 pour falre clrculer de l'azote llquide dans le serpentin 19 et qu'on met en marche le ventllateur 17, on réaliss dans l'sspacs 11 comprls entre 1B9 dlsques 5 et 6 une clrculation d'h~lium ~ bu~se tsmp~rature. Le dsblt d'azote liqulds dans 1B serpentln 19 peut etre r~glé de mani~re à obtenlr par exemple une temp~rature ds 90 Kelvln po~r l'héllum en circulatlon. Sl 1~ vlts~se de l'héllum e~t suffl-~amment grande (correspondant par sxemple à un déblt de 10m3 par seconde~, ,, .1 .
on obtlent entrs les faces 8 et 9 des dlsques 6 et 5 un écoulement turbulent d'hélium, cs qui favoriss les échanges thermlques eu nlveau des faces 8 et 9 et donc le rsfroidlssemsnt des dlsques 6 et 5. Dans ces condltlons la pulssance laser tr~nsmlsslble à travers la fsnêtrs 4 peut ~tteindrs 100 k~l en contlnu et 500 kW pour une lmpulslon lumlneuss ds durée 10 ssconde~
Le dlspositlf optlque selon l'lnventlon peut ^stre constltué par une fenêtre laser, telle qus celle lllustrés par la flgurs. On peut d'une manlère an~logus r~31iser une lentille optique. Dans ce cas, au molns une des faces d'entrée ~t de sortls du dlspositif est courbe au lieu d'~trs plm~, et la tste laser n'est plus appliquée contre la face d'entrée du dlsposltif. Celui-cl comporte alors des moyens pour projeter contre cette face d'sntrée un flux de gaz sec afin d'évitsr la formation ds givre sur ', '~ ', ' .~
Pnur empecher la formation de givre sur la face de sortie 10 db la fen~tre 4, on dirige vers cette face un flux d'un gaz sec tel que l'azote. Pour cela on utilise un manchon 24 co~portant dans sa paroi une chambre annulaire 25 d'où part une pluralité de canaux tels que 26 obliquss par rapport au plan ds la fa oe 10 du dlsque 5 st convsrgsnts vsrs cette face. La chambre annulairs 25 est rellée par l'intermédlaire d'une vanne 27 à uns boutsille d'azote 2B.
Lorsqu'on ouvrs la vanne 21 pour falre clrculer de l'azote llquide dans le serpentin 19 et qu'on met en marche le ventllateur 17, on réaliss dans l'sspacs 11 comprls entre 1B9 dlsques 5 et 6 une clrculation d'h~lium ~ bu~se tsmp~rature. Le dsblt d'azote liqulds dans 1B serpentln 19 peut etre r~glé de mani~re à obtenlr par exemple une temp~rature ds 90 Kelvln po~r l'héllum en circulatlon. Sl 1~ vlts~se de l'héllum e~t suffl-~amment grande (correspondant par sxemple à un déblt de 10m3 par seconde~, ,, .1 .
on obtlent entrs les faces 8 et 9 des dlsques 6 et 5 un écoulement turbulent d'hélium, cs qui favoriss les échanges thermlques eu nlveau des faces 8 et 9 et donc le rsfroidlssemsnt des dlsques 6 et 5. Dans ces condltlons la pulssance laser tr~nsmlsslble à travers la fsnêtrs 4 peut ~tteindrs 100 k~l en contlnu et 500 kW pour une lmpulslon lumlneuss ds durée 10 ssconde~
Le dlspositlf optlque selon l'lnventlon peut ^stre constltué par une fenêtre laser, telle qus celle lllustrés par la flgurs. On peut d'une manlère an~logus r~31iser une lentille optique. Dans ce cas, au molns une des faces d'entrée ~t de sortls du dlspositif est courbe au lieu d'~trs plm~, et la tste laser n'est plus appliquée contre la face d'entrée du dlsposltif. Celui-cl comporte alors des moyens pour projeter contre cette face d'sntrée un flux de gaz sec afin d'évitsr la formation ds givre sur ', '~ ', ' .~
4 -~389S4 cette face. ces moyens étant tout à fait analogues à ceux repr~sentés sur la figure unique et relatifs à la face de sortie de la fenêtre laser.
: Le dispositif selon l'invention peut être appliqué notamment aux ,~ :
~ r~ r ~y~O~ ~r- ~4~ ~t~
' ' ' ',
: Le dispositif selon l'invention peut être appliqué notamment aux ,~ :
~ r~ r ~y~O~ ~r- ~4~ ~t~
' ' ' ',
Claims (6)
1/ Dispositif optique comprenant deux éléments optiques comportant chacun deux faces optiques centrées sur un même axe, dispositif destiné à être traversé suivant ledit axe par un faisceau lumineux dont la longueur d'onde est d'environ 10,6 microns, les faces desdits éléments étant revêtues d'une couche antiréfléchissante pour ladite longueur d'onde, une des faces de chaque élément étant plane, lesdits éléments étant disposés de manière que ces faces planes soient en regard l'une de l'autre, lesdites faces planes étant de dimensions sensiblement identiques, les autres faces desdits éléments formant respectivement les faces d'entrée et de sortie du dispo-sitif optique, lesdits éléments optiques étant réalisés en un matériau choisi parmi le germanium, un mélange d'arsenic et de gallium, un mélange de cadmium et de tellure et un mélange de zinc et de sélénium, caractérisé
par le fait qu'il comporte des moyens (12 à 25) pour faire circuler dans l'espace (11) compris entre lesdites faces planes (8, 9) un fluide de refroidissement transparent à le lumière dudit faisceau, cette circulation s'effectuant suivant une direction sensiblement perpendiculaire audit axe (3) et des moyens (24 à 28) pour diriger sur au moins une desdites faces (10) d'entrée et de sortie un flux d'un gaz sec transparent à ladite lumière.
par le fait qu'il comporte des moyens (12 à 25) pour faire circuler dans l'espace (11) compris entre lesdites faces planes (8, 9) un fluide de refroidissement transparent à le lumière dudit faisceau, cette circulation s'effectuant suivant une direction sensiblement perpendiculaire audit axe (3) et des moyens (24 à 28) pour diriger sur au moins une desdites faces (10) d'entrée et de sortie un flux d'un gaz sec transparent à ladite lumière.
2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites faces d'entrée (7) et de sortie (10) sont planes en vue de réaliser une fenêtre optique (4).
3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins une desdites faces (7, 10) d'entrée et de sortie est courbe en vus de réaliser une lentille optique.
4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens (12 à 21) pour faire circuler un fluide de refroidissement dans l'espace (11) compris entre lesdites faces planes (8, 9) comportent un manchon (12) cylindrique fixé intérieurement sur les bords desdits éléments (5, 6) et entourant ledit espace (11), ce manchon étant muni d'une ouver-ture (13) d'entrée et d'une ouverture (14) de sortie, une canalisation (15) remplie dudit fluide, les extrémités de cette canalisation (15) étant raccordées respectivement auxdites ouvertures (13, 14) d'entrée et de sortie, au moins un ventilateur (17) disposé dans ladite canalisation (15) pour faire circuler ledit fluide à l'intérieur de cette canalisation (15) de ladite ouverture (14) de sortie vers ladite ouverture (13) d'entrée et un échangeur thermique (19) disposé à l'intérieur de ladite canalisation (15) sur le trajet dudit fluide.
5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte entre au moins uns desdites ouvertures (13, 14) dudit manchon et l'extrémité correspondante de ladite canalisation (15) un organe (22) de raccordement de forme tronconique, la section transversale de cet organe (22) décroissant progressivement dé cette extrémité à cette ouverture (13, 14) et que ledit ventilateur (17) est apte à communiquer audit fluide une vitesse suffisamment grande pour que l'écoulement dudit fluide dans ledit espace (11) compris entre lesdites faces planes (8, 9) s'effectue en régime turbulent.
6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit fluide de refroidissement est de l'hélium.
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