Brevet FR2006929A1 — publié le 19700102

La présente invention concerne et a essentiellement pour objet un appareil destiné à obtenir une lumière à grande puissance utile ou de sortie et se rapporte plus particulièrement à un appareil dans lequel ladite lumière est obtenue en utilisant un milieu gazeux actif sans la nécessité d'une entre à l'état solide pour faire passer la lumière engendrée à 1 'extérieur de l'appareil.L'invention vise également les diverses applications et utilisations résultant de la mise en oeuvre de ce dispositif et notassent les amplificateurs pour laser ou analogue ainsi que les divers systèmes, ensembles, équipements et installations pourvus de tels dispositifs Les caractéristiques de puissance lumineuse des faisceaux de rayons laser sont largement connues et des développements courants, en cours de réalisation dans le domaine de l'application du laser, se sont avérés comme étant tout à ait remarquables. Par exemple, les faisceaux de rayons laser sont utilisés Yuans le traitement des métaux et dans l'excitation du plasma et de la fusion nucléaire, etc... Des lasers à solide à impulsion géante, par exemple le laser à rubis à impulsion géante, sont connus pour leur grande puissance utile ou de sortie. Récemment, un laser à gaz à été développé ou mis au point qui est capable d'une grande puissance et d'un rendement élevé. Le problème cependant consiste en ce que la puissance émise est limitée par le point de destruction de la matière utilisée pour la fenêtre qui sert à isoler le milieu gazeux actif dans l'appareil des gaz environnants ou ambiants et à permettre au faisceau de rayons lumineux , engendrés dans l'appareil dtêtre transmis à l'extérieur de l'appareil. Généralement la fenêtre est construite en une matière transparente et possède une grande puissance de transmission par rapport à la longueur d'onde du faisceau lumineux.Cependant, si la lumière à grande puissance est absorbée en une quantité, quelle que faible soit elle, excédant la limite, la fendre sera détruite. Un exemple représentatif d'un laser à gaz, susceptible de produire une émission lumineuse à puissance élevée, est le laser à anhydride carbonique C02 Dans ce cas, du chlorure de sodium NaCl est utilisé pour la fenêtre, c'est-à-dire une matière présentant des caractéristiques de faible absorption à une longueur d'onde de 10,6 microns. INême alors, la densité d'énergie admissible pour le chlorure de sodium NaUl est inférieur à 1200 W/cm2 et toute densité, excédant ce chiffre, détruira la fenêtre. C'est un but de la présente invention de créer un appareil susceptible de produire une lumière à grande puissance d'émission. C'est un autre but de laprésente invention de créer un appareil dans lequel aucune fenêtre à l'état solide n'est utilisée malgré l'emploi d'un milieu gazeux. L'invention sera mieux conprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés, donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation préférés de l'invention et dans lesquels - la figure 1 représente une vue schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention utilisant le phénomène de conductance gazeuse dans un tube relié au tube de décharge;; - la figure 2 est une vue schématique d'un second mode de réalisation de l'invention, dans lequel deux courants d'un gaz d'obturation étanche sont dirigés en travers du flux lumineuxi - la figufe 3 est une vue schématique dXun troisième mode de réalisation de l'invention, utilisant un écoulement supersonique du gaz d'obturation étanche; - la figure 4 est une vue schématique d'un quatrième mode de réalisation de l'invention , employant également un écoulement supersonique du gaz de fermeture étanche; - les figures 5 et; 6 sont des vues schématiques représentant deux modes de réalisation perfectionnés basés sur le troisième mode de réalisation précité; - la figure 7 est une vue schématique illustrant un amplificateur à laser conforme à l'invention, combiné avec unoscillateur à laser. En se reportant maintenant à. la figure 1, le chiffre de référence 1 représente un tube de décharge à travers lequel on fait écouler un agent ou milieu gazeux actif, tel que du gaz anhydrique carbonique C02, à partir d'une source de gaz 2 .jusqu'à un orifice d'échapDenent ou de sortie 3, ledit tube de décharge étant réalisé de façon entre suffisamment long, de manière à obtenir une lumi re à grande puissance. Le gaz c-ans le tube de décharge 1 est maintenu à une pression constante , prir exemple de 90 Torr, en réglant la source de gaz 2 et l'orifice dVéchapperllen-t ou de sortie 3.De l'énergie, possédant une intensité appropriée pour produire une décharge électrique dans le milieu gazeux actif, est engendrée par une source 4 et appliquée audit milieu par l'intermédiaire d'électrodes 5 montées sur le tube de décharge 1. il est avantageux toutefois d'augmenter le nombre de sources de gaz, d'orifices d'échappement et d'électrodes en conformité avec la longueur du tube de décharge. Un miroir réfléchissant 6 est collé sur une extrémité du tube de décharge 1 et un tube creux 7, comportant un orifice 8, est relié à l'autre extrémité. Une pompe à vide ou analogue 9, telle qu'une pompe à vide rotative, est convenablement reliée au tube 7 afin d'extraire, d'aspirer ou d'évacuer les gaz s'écoulant dans celui-ci. La conductance de gaz U de l'écoulement visqueux dans le tube précité est donnée par l'équation suivante # d4 # d4 1 U = . . P = . . (P1 + P2) 128 # L 128 # L 2 où L est la longueur du tube 7, b est le diamètre du tube P est la pression moyenne du tube, P1 est la pression au voisinage immédiat de la pompe à vide 9, P2 est la pression des gaz environ nants ou ambiants et # est le coefficient de viscosité.La quantité de gaz Q1 , s'écoulant dans le tube 7 à travers ltorifice .8, est donnée par l'équation suivante : Q1 = U ( P2 21) d4 . ? (P - P1) 128 # L L Si la quantité de gaz Q2, évacuée, extraite ou aspirée par la pompe à vide 9, dépasse Q1, la pression dans le tube 7 au voisinage immédiat de la pompe 9 sera réduite à une valeur inférieure à la pression dans le tube de décharge t. En conséquenceS les gaz environnants seront empochés de se mélanger avec le milieu gazeux actif dans le tube de décharge et les gaz environnants ainsi qu'une partie du milieu gazeux actif s'écouleront dans la pompe à vide 9. te gaz dans le tube de décharge 1 est cependant maintenu à une pression constante en augmentant l'alimentation en milieu ou en agent gaeux actif en provenance de la source de gaz 2. En raison de l'émission spontanée et stimulée le milieu gazeux actif excité dans le tube C.e décharge 1 produit une lumière qui est transmise d'un point dans le tube à un autre et ampîifiee La lumière frappant le miroir 6, est réfléchie et amplifiée davantage. Comme il n'y a aucune fenêtre à l'état solide dans le trajet optique le long duquel la lumière engendrée est transmise, une lumière à grande puissance utile ou de sortie peut être obtenue sans être soumise à une limitation quelconque. Il est avantageux de diminuer la conductance du gaz du tube creux 7, par exemple, en réduisant le diamètre et/ou en augmentant la longueur du tube. En faisant cela, conformément au mode de réalisation tel que représenté sur la figure 1, même si la pompe à vide 9 est enlevée, les gaz environnants seront empochés d'entrer dans le tube de décharge 1 et de se mélanger avec le miliau gazeux actif. La figure 2 représente un second mode de réalisation pour empêcher les gaz environnants de se mélanger au milieu gazeux actif. Par raison de clarté , les pièces ou parties, telles que celles représentées sur la figure 1, ne sont pas incluses. Dans ce mode de réalisation, les moyens pour empêcher les gaz environnants de se mélanger au milieu gazeux actif , comprennent l'emploi de deux courants gaeux qui agissent comme un rideau d'air. tes deux courants gazeux sont produits par deux sources de gaz avec le concours de deux pompes à vide. Le premier courant gazeux est amené de la source de gaz 10 à la pompe à vide Il et le second courant gazeux de la source de gaz 12 à la pompe à vide 13. tes pressions des courants gazeux respectifs sont maintenues constantes et la pression du milieu gazeux actif satisfait à la relation suivante : P3 où P3 est la pression dans le tube de décharge, P4 la pression du premier courant gazeux, P5 la pression du second courant gazez et P6 est la pression des gaz environnants. te gaz, entourant le premier courant gazeux arrivant de la source de gaz 10, est induit par ledit courant et ils sont évacués ou aspirées ensemble par la pompe à vide 11. Par conséquent, le gaz, entourant le premier courant gazeux est maintenu à la mEle pression que ledit courant, à savoir P4 De la même manire, li pression du gaz entourant le second courant gazeux, est maint eue à la pression P* il en résulte qu'un gradient e pression est produit entre le tube de décharge et l'extérieur de appareil le long de l'axe optique, en empêchant ainsi les gaz environnants de se mélanger avec le milieu gazeux actif dans le tube de déchar- ge 1. Dans ce mode de réalisation, seules deux sources de gaz sont décrites. te nombre de sources peut cependant être augmenté ou diminué selon le diamètre du tube de décharge. Il est important d'obtenir une lumière non réfractée. Ceci peut titre obtenu en unifiant la densité optique du gaz dans un plan perpendiculaire par rapport à l'axe optique de la lumière engendrée. Dans ce cas cependant, la largeur du courant gazeux > s'écoulant en travers du flux lumineux, doit être plus grande que la largeur dudit flux, de sorte que le courant gazeux enveloppe ledit flux. En se référant maihtenant à la figure 3 , celle-ci représente un troisième mode de réalisation utilisant un écoulement supersonique pour empêcher les gaz environnants de se mélanger avec le milieu gazeux actif. Une enveloppe conique 14, composéede portions ou sections respectivement convergentes et divergentes et d'un col ou analogue pour produire l'écoulement supersonique, est reliée un tube 15 qui est relié à son tour au tube de décharge 1. L'autre extrémité de l'enveloppe 14 est reliée à un tube cylindrique 16 qui est relié par une tubulure 17 à une source de gaz 18. te gaz, fourni par la source de gaz précitée, est amené dans le tube 16 à travers lequel, ledit gaz s'écoule dans l'enveloppe conique 14. Quand le rapport entre la pression dans le tube 16 et la pression dans la portion divergente excède une valeur donnée, le courant gazeux , traversant le col, est transformé en un écoulement supersonique qui est éjecté de l'appareil à travers un orifice 19. Une série d'ondes de détente ou de dilatation, formées par Iécoulement supersonique passant le long de la surface de paroi intérieure 20 qui est de préférence convexe, délimite des régions à pression successivement croissantes. En outre une série d'ondes de corpression est formée par l'écoulement supersoni que passant le long de la surface de paroi interne21 qui est de préférence concave.Les ondes de compression de la série précitée se rencontrent ou se coupent mutuellement les unes les autres pour former des ondes de choc. En concomitance avec la formation des ondes de détente et de choc, une zone à basse pression est produite dans le voisinage immédiat du bord inférieur 22 de la surface de paroi intérieure 20. L'emplacement exact de la zone a basse pression est déterminé par le degré de convexité ou ce concavité des surfaces de parois internes respectives 20 et 21. En conséquence, les surfaces précitées sont conçues de façon à produire un gradient de pression le long de l'axe optique, de sorte que l'écoulement supersonique empêche les gaz environnants de s'écouler dans le tube de décharge 1.Comme les parties clairsemées et denses du gaz dans le flux lumineux sont approximativement uniformes, la réfraction de la lumière engendrée est négligeable. Ce mode de réalisation possède cependant un défaut par le fait qu'à mesure que le diamètre du tube de décharge est augmenté, la taille de ltenveloppe et de la source de gaz doit etre accrue proportionnellement. La figure 4 montre un mode de réalisation conçu pour éliminer le défaut précité. Un tube hélicoTdal 23 est enroulé autour d'un tube 24 relié au tube de décharge 1. Un gaz, provenant d'une source de gaz 25, est amené au tube hélicoïdal 23 à travers une tubulure 26. Plusieurs tubes d'éjection ou analogues 27 composés de portions ou de sections convergentes et divergentes et d'un col, sont reliés au tube hélicoïdal 23. Une série d1écoulemenis supersoniques est produite par les tubes d'éjection et ces écoulements sont éjectés de l'appareil à travers le tube 24. tes écoulements supersoniques,produits par les tubes d'éjection, produisent chacun un gradient de pression dans le tube 24. tes tubes d'éjection ou gicleurs sont conçus de façon à délimiter des zones à pression successivement décroissante dans le tube 24. En conséquence, la diamètre du tube d'éjection ou gicleur, -le plus proche du tube de décharge, est le plus petit, les diamètres des divers tubes respectifs augmentant progressivement dans leur ordre de succession, de sorte que le tube à plus grand diamètre est celui qui est le plus proche de I'orifice 28. tes o7es de réalisation représentés sur les figures 5 et 6 sont des modes de réalisation perfectioernés du mode de réalisation reprosenté sur la figure . Dans 1 cinquième mode de réalisation , l'enveloppe conique pour produire un écodXemellt supersonique est le même que celui docrit dans le troisième :iod-e de réalisation.En outre, ce mode de réalisation cl trend toutefois un corps conique tournant 29 comportant une série d'ailettes cu analogues 30 disposées de façon à s'ajuster fermement centre la paroi interne de la zone 31 située entre l'écoulement de milieu gazeux actif dans le -ERe cie décharge 1 et l'écoulement supersonique , ledit corps tournant en meme temps librement en prévoyant un palier 32 entre le corps rotatif 29 et ladite paroi intérieure Une roue dentée d'engrenage 35 est fixée au corps rotatif 29 , ladite roue d'entrée engrènant avec une seconde roue dentée ou un pignon d'engrenage 34, ce dernier étant entraîné en rotation au moyen d'un arbre 35 com-zandé par un moteur 36. La faible pression de gaz dans la zone 31 est obtenue conformément au me^-ne principe que celui adopté dans le troisième mode de réalisation, la pression étant également légèrement supérieure à la pression dans le tube de décharge. le gaz dans la région 31 est forcé de sortir ou repoussé à travers l'ouverture 37 par la force centrifuge produite en faisant tourner le corps rotatif 29. Dès que ceci se produit, la pression dans la région 31 décroit, de façon à être approximativement égale à la pression dans le tube de décharge. il en résulte que les gaz environnants dans le tube de décharge 1 et le milieu gazeux actif sont empochés de se mélanger. Dans le sixième mode de réalisation conforme à la figure 6, le corps rotatif 29 est remplacé par un enroulement chauffant 38o La différence de pression P, entre les extrémités de la zone 31, est déterminée par la pression dans le tube de décharge et la pression produite par 11 écoulement supersoniqueS et est maintenue constante. Bien que la température de la région soit modifiée, son volume V reste inchangé.La variation de la densité de gaz dans la région précitée est donnée par l'équation suivante s PV = nRT où n est le nombre moléculaire du gaz dans la zone 31 R est la constante du gaz et g est la température absolues Conformément à l'équation précitée, la densité du gaz dans cette région est diminuée en proportion avec l9élévatlon de tempérasUre. 1l en résulte que la quantité de gaz, s'écoulant dans le tube de décharge à partir de cette région, est réduite à des proportions très négligeables ou nulles, Dans les modes de réalisation , tels que ceux représentés sur les figures 3 à 6, les écoulements supersoniques sont produits par le gaz fourni par les sources de gaze il est ppssible cependant de prévoir un moyen d'évscuation, d'échappement ou d'ex- traction tel qu'une pompe à vide au lieu d'une source de gaz. Dans ce cas, l'écoulement supersonique est ;oroduz- par le gaz évacué ou aspiré par le moyen d'extraction. Dans les modes de réalisation, tels que ceux représentés sur les figures 1 à 6, une matière à l'état solide (par exemple un miroir réfléchissant) a été collé sur une extrémité du tube de décharge. Il est possible toutefois de prévoir des moyens -oour empêcher les gaz environnants ou ambiants de se mélanger avec le milieu gazeux actif aux deux extrémités du tube de décharge . En faisant cela, une lumière à grande puissance peut être obtenue aux deux extrémités. Un appareil, dans lequel les moyens d'empêchement précités sont prévus-aux deux extrémités du tube de décharge , est utilisé pour l'amplificateur de laser. La figure 7 représente un amplificateur de laser 39 conçu conformément à la présente invention. Quatre écoulements gazeux, produits par plusieurs sources de gaz 40 conjointement avec des pompes à vide 41, sont prévus aux deux extrémités du tube de décharge 42, en empêchant ainsi des gaz environnants de se mélanger au milieu gazeux actif. On fait écouler un milieu gazeux actif, tel que de l'anhydride carbonique CO2, depuis une source de gaz 43 jusqu'à un orifice de sortie ou d'échappement 44 à travers le tube de décharge 42. te gaz dans le tube de décharge 42 est maintenu à une pression constante. Une énergie, possédant une intensité appropriée pour produire une décharge électrique dans le milieu gazeux actif, est créée par une source 45 et fournie audit milieu par l'intermédiaire d'électrodes 46 montées sur le tube de décharge 42. Le repère 47 représente un oscillateur à laser à gaz à grande puissances par exemple un laser à gaz anhydride carbonique CO2. La lumière engendrée dans l'oscillateur à laser 47, est dirigée vers l'amplificateur de laser 39, de façon à stimuler le milieu gazeux dans le tube,en amplifiant ainsi la lumière du laser, ladite lumière possédant la cohérence et uiaz puissance extrêment élevées Dans l'amplificateur de laser conforme à cette invention, cote les fenêtres à l'état solide ont été supprimées, toute limitation à la lumiè-e émise est éliminée. Bien entendu I' i-ivention n'est nullement limitée avx modes de réalisation d-crits et représentés qui sont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier elle comprend tous les; moyens constituant des équivalents techniques des moyens @@@@@@@ ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1- Appareil pour obtenir une lumière émise ou de sortie à grande puissance, caractérisé en ce qu'il comporte : un tube de décharge analogue à travers lequel s'écoule un milieu gazeux actif, ledit tube de décharge comportant un orifice à au moins une extrémité ou aux deux extrémités; un moyen pour maintenir une décharge électrique dans ledit tube de décharge, en excitant ainsi ledit milieu gazeux actif; et au moins un moyen pour empêcher des gaz environnants ou ambiants d'entrer dans ledit tube de décharge à travers chaque orifice précité. 2- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque moyen respectif précité, pour empêcher les gaz environnants d'entrer dans le tube de décharge précité à travers chaque orifice précité, comprend un tube creux à faible conductance de gaz, relié audit tube de décharge et au moins un moyen d'évacuation , d?aspi ration ou d'extraction pour évacuer ou aspirer lesdits gaz environnants qui s'écoulent dans ledit tube creux. 3- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque moyen respectif précité, pour empêcher les gaz environnants d'entrer dans le tube de décharge précité à travers chaque orifice précité, comprend au moins un moyen pour produire un courant gazeux qui agit comme un rideau d'air ou analogue. 4- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque moyen respectif précité, pour empocher les gaz environnants d'entrer dans le tube de décharge précité à travers chaque orifice précité, comprend une enveloppe composée de portions divergente et convergente et d'au moins un col pour produire au moins un écoulement supersonique ou analogue. 5- Appareil selon la revendication 4, caractérisé par au moins un doyen pour expulser ou repousser mécaniquement le gaz dans une zone comprise entre l'écoulement supersonique précité et ltécoulement de milieu gazeux actif précité dans le tube de décharge précité. 6- Appareil selon la revendication 4, caractérisé par au moins une source chauffante ou analogue prévue dans une zone comprise entre l'écoulement supersonique précité et l'éco1deent de milieu gazeux actif précité dans le tube de décharge précité. 7 Appareil selon la revendication 1, caractérist en ce oue chaque moyen respectif précité pour empêcher les gaz environnants d'entrer dans le tube de décharge précité à travers chaque orifice précité, cor rend un tube creux, relié au tube de décharge précité, un tube hélicoïdal enroulé autour dudit tube creux et une série de tubes pour produire une série d'écoulements supersoniques, reliés audit tube creux et audit tube hélicoïdal. 8- Application de l'appareil selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il forme un amplificateur de laser ou analogue.