Brevet FR2013425A1 — publié le 19700403

i 2013425 La présente invention a trait aux lasers à liquide et concerne plus particulièrement un laser de ce genre ayant de bonnes propriétés optiques, un rendement élevé et dont le coût est relativement faible. 5 Les systèmes liquides présentent certains avantages distincts par rapport aux systèmes solides et gazeux en tant que milieux actifs pour les lasers. En effet, un système gazeux, à moins qu'il soit à une pression élevée, ne peut pas engendrer une grande densité d'énergie. La raison en est tout simplement la faible densité 10 des atones d'un gaz, comparée à celle des atomes d'un liquide ou d'un solide. Ainsi, si l'on compare un système gazeux avec tin système à phase condensée, même avec tous les autres paramètres identiques, l'inversion de population absolue est beaucoup moins grande dans le cas d'un gaz. On estime que la population inversée est 15 approxiwitivement 1000 fois plus grande dans les liquides ou les solides. Toutefois, plusieurs facteurs restreignent considérablement la puissance réelle pouvant être pratiquement obtenue d'un milieu solide, en particulier, si l'on considère un fonctionnement en régime continu ou avec une cadence de répétition élevée. La 20 principale de ces limitations résulte de l'incapacité du solide de dissiper la chaleur engendrée par m fonctionnement à haute puissance; cette situation s'aggrave, évidemment, à mesure que la cadence de répétition augmente. Outre les risques de fractures importantes, l'échauffement de la matière crée de nombreuses imper-25 fections qui détériorent les qualités optiques de l'échantillon, très souvent de façon irréversible. Par contre, les liquides offrent l'avantage de pouvoir être refroidis par circulation. De plus, les défauts optiques, tels que les bulles ou les régions ayant des indices de réfraction différents qui résultent des gra-50 dients thermiques, se guérissent d'eux-mêmes très rapidement dans un liquide, en particulier, lorsqu'il est en circulation. En conséquence, un bon liquide doit avoir certaines propriétés mécaniques et physiques, en plus des conditions évidentes de la nécessité de satisfaire aux critères de fluorescence. Il doit être re-35 lativement inerte et posséder une viscosité raisonnable afin de faciliter le pompage et 1'auto-guérison des défauts dus à la chaleur. Une bonne stabilité thermique du solvant et de la substance fluorescente, jointe à une gamme de températures aussi étendue que possible pour le solvant, sont deux autres critères qui doivent 40 être satisfaits. 69 06744 2 2013425 Des systèmes liquides qui se sont montrés capables d'une action de laser comprennent certains chélates tétracis d'europiuîa dans 1'acétonitrile ou dans des solutions d'éthanol et de métiianol (A. Lempicki et H. Samelson, "Applied Physics Letters", 4, -133 5 (1963); £.J. Schimitachek, "Applied Physics Letters", jî 117 (1963) et une solution de néodyme dans 1'oxychlorure de sélénium (A. Heller, "Applied Physics Letters" % 108 (1966) A. Lempicki et Heller, "Applied Physics Letters" 108-110 (1966) ). Les chélates des terres rares ont un certain nombre de propriétés défavora-10 bles qui rendent un fonctionnement en laser à des puissances élevées très difficile. Le chélate organique sert à absorber la lu- ~ mière de pompage et l'action de laser dépend de l'efficacité du transfert d'énergie entre la fonction chélate de la molécule et l'ion de terre rare. Ces systèmes présentent une difficulté inh-i-15 rente qui résulte des coefficients d'extinction très élevés (10^ " à 105) et des larges bandes d'absorption de la fonction chélate. Il en résulte qu'avec des systèmes ayant une concentration pratique (10à 10-3M), il est impossible d'obtenir une inversion de population au-delà d'une mince région superficielle de la solutLosi. 20 Une si' grande quantité du flux de pompage est absorbée dans cette région que des cellules de laser ayant des alésages extrêmement petits sont nécessaires pour exciter uniformément 1'échantillon» Dans la majorité des cas, l'action de laser ne se produit que dans im étroit anneau situé à la périphérie du tube. 25 Dans le système décrit par l'invention et dans le système néodyme-oxychlorure de sélénium, le flux de pompage est directement absorbé par l'ion de terres rares qui a un eoeffici»nt d'extinction inférieur de trois à quatre ordres de grandeur de celui du chélate, assurant ainsi une excitation et une action de laser 30 plus uniformes. Le principal défaut de 1'oxychlorure de sélénium est sa grande viscosité qui rend très difficile la circulation du milieu du laser, ainsi que sa grande toxicité, sa oorrosivité et son instabilité thermique. D'une manière générale, la présente invention envisage de 35 produira un laser à liquide qui diffère des systèmes antérieurs en ce qu'il utilise des solutions d'un composé de néodyme ne contenant pas d'hydrogène dans une solution de 5 volumes d'oxychlorure pnes-phoraux et d'un volume d'un acide fort ne contenant pas d'hydrogène, contenues dans une cellule de quartz tubulaire et en excitant 40 la frabs tance contenue dans la cellule avec une lampe à éclairs. gAB ORIGNAL. 69 06744 3 2013425 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-tiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel les Fig. 1 à 3 montrent les résultats obtenus en excitant un 5 laser à liquide conforme à l'invention avec une lampe à éclairs, comme dans l'exemple décrit ci-après. Etant donné que la science des lasers liquides est relativement nouvelle, il convient, pour bien faire comprendre l'invention, d'expliquer les problèmes que soulève un tel laser. 10 Les caractéristiques de fluorescence et d'absorption de cer tains ions de terres rares en solution ont une grande importance dans l'étude et le développement des lasers de puissance. Les ions des terres rares présentent d'étroites lignes de fluorescence. Les solutions liquides de ces ions semblent pleines de promesses pour 15 la réalisation de lasers de puissance, puisque ces solutions ne présentent pas certains inconvénients des systèmes gazeux et solides. Comme il a été mentionné ci-dessus, un tétracis Eu (III) dicétone chélate s'est montré capable d'une action de laser dans 20 1'acétonitrile ou dans des solutions de méthanol et d'éthanol. La fonction du dicétone chélate est d'absorber une grande quantité de l'énergie de pompage et de transférer efficacement cette énergie au système électronique de l'Eu (III), lequel devient alors fluorescent dans ses bandes atomiques caractéristiques. De cette 25 façon, la fluorescence atomique est renforcée au moyen du grand nombre d'états excités créés par le coefficient d'absorption élevé du dicétone chélate. Il est possible de renforcer la fluorescence des transitions atomiques des terres rares en réduisant les processus de relaxation non-rayonnants et/ou en contrôlant la sy-30 métrie du champ afin que certaines bandes d'absorption et d'émission deviennent plus probables. Il semble done qu'il convient d'avoir : (a) Une substance fluorescente ayant des transitions rayonnantes propres pour l'action de laser; et, 35 (b) Une solution capable d'influencer favorablement la fluo rescence de cette substance en créant un environnement convenable pour celle-ci. Ainsi, la solution liquide sert non seulement de milieu mobile pour dissoudre le composé de terres rares, mais encore à 40 contrôler avec précision l'environnement chimique immédiat autour 69 06744 4 2013425 de chaque ion de terres rares et d'influencer ainsi favorablement la fluorescence et les autres propriétés se rapportant à l'action de laser. On voit donc aisément que les solvants usuels, que l'on 5 trouve dans les manuels de chimie, ne conviennent pas à cette fin. Après de nombreuses recherches, on a trouvé que les qualités recherchées sont produites par des solutions de composés de néodyme ne contenant pas d'hydrogène, tels que Nd2Ûj dans tan mélange 5/1 en volume de POCl^ et de SnClij.. La raie de fluorescence de 1,06 ^ 10 du néodyme de la solution est très intense et reste essentiellement constante en intensité jusqu'à son point d'ébullition qui se situe autour de 90-100®C. La solution a une faible viscosité et est très claire. Le tétrachlorure d'étain agit comme un acide, ionisant le solvant en formant les deux ions POCLg + et SnClg 15 N'importe quel acide fort ne contenant pas d'hydrogène (aprotique) opère de la meme manière que le tétrachlorure d'étain. Cette acidification permet au liquide de dissoudre l'oxydç de néodyae NdgOjj. Exemple 20 On prépare des solutions (approximativement 0,1M dans l'oxyde de néodyme) en ajoutant de l'oxyde de néodyme (Nd20-j) au mélange (5/1) de solvants, en chauffant à ébullition, en refroidissant et. en centrifugeant pour éliminer les matières en suspension. Aucune précaution spéciale de manipulation n'est nécessaire, sauf en ce 25 qui concerne l'utilisation des gants et de la hotte d'évacuation qui sont normalement utilisés avec les chlorures d'aeides. Le système a l'avantage d'avoir une toxicité relativement faible et, dans les proportions indiquées, a une faible viscosité à la température ambiante. 30 On excite ensuite une solution diluée d'oxyde de néodyme dans le mélange de 5/1 en volume d'oxychlorure phosphoreux et de tétrachlorure d'étain avec une lampe à éclairs au xénon produisant des impulsions de 5000 joules. On détecte des pointes désordonnées (Fig. 1 et 2) et une très grande augmentation d'intensité du ni-35 veau de fluorescence au-dessus d'un seuil voisin de 3300 joules, par un filtre d'interférences de 1,06 y. avee une photo-diode RCA 925 alimentant un oscilloscope Tektronix 5^5A branché aux bornes d'une résistance de charge de hJQ . Le liquide est contenu dans une cellule tubulaire de quartz de 12 m» de diamètre inté-4 0 rieur et de 12,5 cm de longueur. On colle des lames optiques planes 69 06744 ' 2013425 de quartz aux extréwLtés de la cellule avsc une résine époxyde. On aligna des miroirs plans extérieurs comportant des revêtements diélectriques parallèlement aux extrémités de la cellule. L'un des airoirs a un indice de réflexion supérieur à 99%, tandis que l'autre a une transmission de 10% à 1,06p., La Fig. 3 montre le commencement des pointes avec une disposition légèrement différente des miroirs dans une solution plus concentrée (0,12 M dans NdgO-j). On continue d'obtenir l'effet de laser avec l'intensité initiale après un puisage répété du liquide avec une lumière non-filtrée, incluant 1'ultra-violet, de la lampe à xénon. Un degré~=éleré de colliœation est constaté en photographiant la fluorescence produite quand le faisceau de laser de 1,06 p. est intercepté par une carte phosphorescente sensible à 1'infra-rouge placée à 1,20 m du airoir semi-transparent. Aucune lentille de focalisation n'est utilisée dans cette expérience. Il ra dc-;*ei que de nombreuses modifications peuvent être apportées à 1J exemple représenté et décrit, sans sortir pour autant du cadre de 1'invention. 69 06744 2013425 REVENDICATIONS 1. Laser à liquide, caractérisé en ce qu'il comprend une certaine quantité d'oxyde de néodyme dissoute dans un solvant composé de cinq parties en volume d'oxychlorure phosphoreux et 5 d'environ une partie en volume de tétrachlorure d'étain. 2. Procédé pour.préparer une substance utilisable dans un laser à"liquide, caractérisé en ce qu'il consiste à placer une solution d'oxyde de néodyme dans un solvant composé d'environ cinq parties en volume d'oxyehlorure phosphoreux et d'une partie 10 de tétrachlorure d'étain. 3. Procédé pour former un laser à liquide, caractérisé en ce qu'il consiste à placer la substance spécifiée dans la revendication 2 dans une cellule transparente tubulaire, à fixer des lames planes aux extrémités de ladite cellule, à utiliser des miroirs 15 extérieurs et à exciter ladite substance dans ladite eellule avec une lampe à éclairs. 4. Matériau liquide pour laser, caractérisé en ce qu'il comprend une certaine quantité d'un composé de néodyme ne contenant pas d'hydrogène, dissoute dans un solvant composé d'environ cinq 20 parties en volume d1oxychlorure phosphoreux et d'environ une partie en volume de tétrachlorure d'étain. 5. Matériau liquide pour laser, caractérisé en ce qu'il comprend une certaine quantité d'un composé de néodyme ne contenant pas d'hydrogène, dissoute dans un solvant composé d'environ cinq 25 parties en volume d'oxychlorure phosphoreux et d'environ une partie en volume d'un acide fort ne contenant pas d'hydrogène (apro-tique).