Brevet FR2044683A1 — publié le 19710226

La présente invention concerne l'excitation des électrons et plus particulièrement l'excitation d'électrons dans une bande étroite d'énergies» Le pompage dans les lasers à gaz pour obtenir l'effet de 5 laser a été obtenu principalement à l'origine par une décharge électrique normale, telle qu'une décharge haute fréquence. D'autres techniques telles que les éclats de lumière de grande intensité, l'utilisation de flammes ou le pompage de faisceaux d'électrons ont été essayées mais ces techniques n'ont pas été très utilisées. De 10 plus, ces techniques antérieures de pompage ne sont valables que dans une plage relativement limitée des pressions de .fonctionnement et n'ont pas été satisfaisantes pour les basses pressions des gaz. Les rendements en énergie des lasers à gaz ont été extrêmement faibles, en général d'une faible fraction de 1% avec des rendements 15 dépassant 10% uniquement dans un petit nombre de cas. Ces rendements faibles sont dus principalement aux pertes d'énergie par perte d'électrons d'excitation vers les parois et à l'excitation inutile des niveaux d'énergie en dehors de ceux utiles pour le système de laser. 20 II est connu que l'excitation des électrons peut être provoquée par résonance haute fréquence, mais l'utilisation commandée d'une telle excitation n'a pas pu être obtenue avant l'invention. L'invention a pour objet un procédé et un appareil pour exciter les électrons dans une plage étroite d'énergies» 25 L'invention a aussi pour objet un laser à gaz ayant un rendement considérablement amélioré, et aussi un laser à gaz pouvant fonctionner avec une basse pression du gaz„ L'invention a aussi pour objet un appareil de pompage pour laser à gaz et un procédé permettant l'excitation sélective d'un ^0 niveau déterminé d'énergie du gaz de fond.- L'invention a aussi pour objet un procédé et un appareil pour commander l'excitation d'électrons par excitation résonnante» Les objets de l'invention sont atteints par un procédé et un appareil pour l'excitation commandée d'électrons pouvant être 25 utilisés dans différents dispositifs tels que des lasers à gaz et des lampes à infrarouge ou ultraviolet, l'appareil comportant des dispositifs pour établir un champ magnétique et un champ électrique afin de confiner les électrons dans une région donnée. Une source 70 02515 2 2044683 d'électrons telle qu'une impureté facilement ionisée ou un filament chaud, est de préférence placée dans l'appareil» Les paramètres convenables de l'appareil sont choisis.pour que les électrons présents dans la région confinée soient excités sur le mode de réso-5 nance par une décharge haute fréquence polarisée par du courant continu." Du fait des champs électromagnétiques, les électrons sont maintenus dans la région de confinement de sorte que le taux de perte d'électrons dépend à peu près uniquement des collisions avec 10 le gaz de fond, et par suite est très faible„ L'excitation sur le mode de résonance, qui résulte d'une résonance entre la fréquence de 1'oscillateur.et la fréquence propre des électrons, provoque une excitation très rapide des électrons sans nécessité de collisions, et l'énergie des électrons peut être limitée à une certaine 15 valeur maximale et être maintenue à cette valeur pour une fraction importante du temps de transit des électrons» Cela permet l'exci-• tatlon d'états d'énergie supérieure, atomique et moléculaire, sans influence sur les états inférieurs. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus 20 particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'un laser à gaz suivant un mode de mise en oeuvre de 1'invention, la figure 2 est un diagramme de stabilité de. Mathieu, 25 la figure 3 est une coupe d'un laser à gaz suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, la figure 4 est une vue en perspective d'un laser à gaz suivant un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, la figure 5 est une vue en perspective d'une partie du 30 laser de la figure 4, et la figure 6 est une coupe suivant la ligneVI-VI de la figure 4. La figure 1 représente schématiquement un laser à gaz suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention. Le laser à gaz 10 35 comporte une enveloppe en verre 12 étanohe à l'air formée par deux . éléments coaxiaux 12a^ et 12b de forme générale cylindrique et deux réflecteurs (miroirs 14 et 16) fermaçit les extrémités de l'enveloppe en verre- et scellés à cette enveloppe- pour empêcher les . fuites d'air vers l'intérieur de l'enveloppe 12, c'est-à-dire l'intérieur 70 02515 3 20M683 du laser. Des cathodês de laser 18 et 20 sont respectivement placées contre les réflecteurs 14 et 16. La réflectivité du réflecteur 16 est pratiquement de 100$ et celle du réflecteur 14 est un peu inférieure à 100 La cathode 18 voisine du réflecteur 14 5 comporte au moins une ouverture 22 avec un écran 24 d'une grande transparence. Les radiations électromagnétiques peuvent sortir de l'intérieur du laser 10 à travers l'écran 24. Les cathodes 18 et 20 sont connectées électriquement à une borne de sortie d'un oscillateur 26 polarisé par du courant eon-10 tinu pour produire un champ électrique haute fréquence superposé à un champ électrique continu; Les cathodes 18 et 20 se comportent en électrodes pour le signal haute fréquence ainsi qu'en électrodes cathodiques pour le champ en courant continu. L'autre borne de l'oscillateur est connectée à une anode 28 qui, suivant le mode 15 de réalisation de la figure l,est un disque circulaire avec une ouverture centrale J>0. L'anode 28 sert comme anode pour le champ du courant continu et comme électrode pour le signal haute fréquence. L'anode 28 est pratiquement à mi-distance des réflecteurs 14 et 16 et est parallèle à ces réflecteurs, et elle est scellée aux 20 extrémités voisines des éléments 12a et 12b, une partie de l'anode 28 dépassant à l'intérieur du laser. Un dispositif convenable est utilisé pour établir un champ magnétique à l'intérieur du laser. Suivant le mode de réalisation de la figure I, ce dispositif est constitué par un solénoïde 32 25 dont les spires sont enroulées en cylindre pratiquement parallèle à l'enveloppe 12, et à l'extérieur de celle-ci. L'enveloppe 12 comporte une entrée 34 raccordée à un système à gaz 36 qui établit le vide et envole -à l'intérieur du laser le gaz ou les gaz voulus. N'importe quel gaz convenable pour l'émission du type 30laser, tel que l'argon, le mercure, l'hélium,, etc., peut être utilisé pour le fonctionnement du laser 10, de préférence avec un faible pourcentage d'une impureté facilement ionisée. Cette impureté facilement Ionisée; telle que de la vapeur de césium, est ajoutée au gaz du laser, par exemple de l'argon, en très petite quantité par 35 fournir des' électrons pour le processus d'excit ation»Eh variante*, un filament chaud peut être utilisé pour émettre les électrons nécessaires. Le vide est d'abord établi à l'intérieur du. laser au moyen su système de commande des gaz 36, après quoi l'intérieur du laser est chargé d'argon 70 02515 4 2044683 sous uns pression de l'ordre ds XO ^ «un FIg et de césium aous Uie pression partielle comprise dans la plage d'environ ÎO"^ à 10"^nm Hg. Le soîéaolide 32 est connecté à une source convenable* de courant électrique pour établir à 1*intérieur du laser 10 un champ magnétique 5 sensiblement uniforme centré par rapport à l'ouverture 10 de l'anode Une source de courant continu (non représentée) d'une tension prédéterminée est connectée à l'anode 28 et aux cathodes 18 et 20 pour établir un champ électrique dont la configuration est déterminée par la structure des électrodes» Le champ magnétique conjointement 10 avec le champ électrique établissent une région dé confinement des électrons. Une tension haute fréquence engendrée par l'oscillateur 26 est superposée à la tension continue et établit un champ variant continuellement à travers la région de confinement des électrons - à l'intérieur du laser 10» Les électrons de dispersion se trouvant 15 dans la région de confinement des électrons sont excités à la résonance par le champ haute fréquence, ce qui provoque l'ionisation de ■ la vapeur de césium et l'excitation et l'inversion des populations de la vapeur d'argon» Il en résulte l'effet de laser, et un faisceau d'énergie sort du laser à travers l'écran transparent 24. Cette pq excitation par résonance est expliquée plus en détail ci-après» L'excitation résulte essentiellement de la variation périodique de la profondeur du puits de potentiel électrostatique résultant du champ électrique et du champ magnétique qui provoquent un gain d'énergie pour les électrons confinés» Cette variation- . 05 périodique résulte de l'énergie haute fréquence entre les électrodes- 16, 18 et 28» Deux modes de gain d'énergie peuvent résulter de. ce type d'excitation» L'un appelé le mode par collision nécessite des collisions pour le gain d'énergie, des électrons» Le taux de croisaance de l'énergie est -proportionnel à la fréquence des colli--jO sions.Le second mode, appelé le mode par résonance, n'utilise pas de collisions et résulte de la résonance entre la fréquence de l'os- , cillateur et la fréquence propre des électrons dans le puits de potentiel électrostatique. Le mode par résonance provoque un taux de croissance de l'énergie proportionnel à la fréquence appliquée, ^5 et par suite peut exalter les électrons bien plus rapidement que le mode par collisions. De plus, comme le mode par eollisicsn Implique nécessairement des collisions, il ne peut être utilisé que pour COPY 02515 5 2044683 les états d'énergie atomique ou moléculaire les plus bas» Par contre, le mode par résonance peut être utilisé pour l'excitation des états atomiques ou moléculaires supérieurs sans affecter les états inférieurs si les collisions sont empêchées jusqu'à ce que 5 l'énergie voulue ait été atteinte. Ce résultat est obtenu en arrêtant le processus de croissance de l'énergie pour que les électrons ne puissent pas gagner de l'énergie au-dessus du niveau voulu. Le temps pris par les électrons des énergies inférieures est très faible et par suite il en résulte un nombre très faible d8excita-10 tions. Une inversion de population est ainsi efficacement produite du fait de l'utilisation optimale de l'énergie en empêchant la perte d'énergie résultant de l'excitation d'états d'énergie inférieure et supérieure. Le moyen pour limiter le gain d'énergie des électrons 15 peut être expliqué en considérant le diagramme de stabilité de Mathieu représenté sur la figure 2. La détermination du mode de croissance de l'énergie pour un jeu donné de paramètres peut être obtenue d'après ce diagramme en notant que, pour les coordonnées correspondant aux régions instables, il.ne peut y avoir d'exita-20 tion que par résonance, tandis que pour les régions stables, l'exl-tation ne peut avoir lieu que par collision. Cette analyse est décrite dans un article de Thomas W. KARRAS, intitulé "Radio Fre-quency Breakdown in Penning Geometries with Nonllnear Fields" dans Journal of Applied Physics, Vol. 37> N°7» 2782-2786, juin 1966. 25 Les abscisses du diagramme de la figure 2 représentent le paramètre "a" qui est fonction de Vcc (tension en courant continu) et les ordonnées représentent le paramètre "q" qui est fonction de Vjjp (tension haute fréquence). Les paramètres "a" et "q" sont fixés par les valeurs des constantes des équations_ du mouvement de 30 l'électron. Pour la configuration des électrodes représentée sur la figure 1, l'équation de mouvement parallèlement au champ magnétique est ,2.. + (a+q cos 2S) u = 0 d2u ds2 35 dans laquelle 4 e V „ CC a = - u m u) 2zQd 70 02515 6 2044683 4 e V . . HP m CU 2z0d CûJ t 10 oj - fréquence de l'oscillateur z = distance de l'électron par rapport au plan central (les mouvements dans des directions perpendiculaires au champ magnétique n'ont 15 • aucune signification pour le gain d'énergie et par suite ne sont pas considérés) zQ = rayon de.1'ouverture de l'anode divisé par 1,6 d = distance de l'anode à la cathode 20 . e = charge de l'électron m = masse de l'électron VCC = tension en courant continu VHF ='tension haute fréquence. Quand l'électron gagne de l'énergie, c'est-à-dire quand 25 la vitesse û augmente, les coordonnées du diagramme de stabilité changent. En conséquence, la tension haute fréquence et la tension continue sont réglées pou,r qu'un électron d'énergie zéro démarre sur le côté droit d'une région instable en (l) de la figure 2. Cet électron peut gagner de l'énergie jusqu'à ce que son abscisse "a" 30 1& place sur le coté gauche de la même région, indiqué en (2) sur la figure 2. Ensuite, tout gain d'énergie doit avoir lieu par collision. Cependant, aucune énergie appréciable ne doit être gagnée de cette façon quand l'énergie de l'électron est suffisamment élevée parce que les collisions nécessaires pour cette augmentation de 25 l'énergie suivant ce mode conduiraient à l'excitation du gaz de fond et à une perte marquée d'énergie. Les molécules ou les atomes excités par ces électrons forment une population inversée et ils tombent à un état d'énergie inférieur par émission stimulée en émet- 02515 ■7 2044683 tant un photon de façon cohérente avec la radiation de stimulation. Dès que l'électron a perdu son énergie par le processus d'excitation, ses coordonnées sur le diagramme de stabilité reviennent vers le côté droit de la région instable (l) après quoi le proces-5 sus peut recommencer pour cet électron. La largeur d'une région instable sur la figure 2 pour une tension haute fréquence donnée détermine le gain maximal d'énergie possible pour un électron. La longueur de la ligne horizontale mesurée de droite à gauche entre (1) (2) sur la figure 2 est pro-10 portionnelle au gain d'énergie d'un électron. Si le gain d'énergie est spécifié, la longueur de la ligne est spécifiée. Cette longueur spécifiée de la ligne est mesurée à partir du bord le plus à gauche d'une région instable le long d'une ligne déterminée par la tension haute fréquence spécifiée. L'extrémité la plus à droite de la ligne 15 mesurée spécifie lé point de départ, et par référence à sa position suivant les abscisses, la tension continue désirée est aussi spécifiée. Le gain d'énergie spécifiée doit être inférieur ou égal au gain maximal d'énergie dans la région instable spécifiée à la tension haute fréquence donnée. Dans le cas contraire, une région ins-20 table différente ou une tension haute fréquence différente (en général supérieure) doit être utilisée. Une autre fâçon""d'expliquer le phénomène de gain d'énergie par résonance consiste à le rapporter à la haute fréquence appliquée et à la fréquence propre d'oscillation de l'électron. La fréquence 25 propre d'oscillation d'un électron se trouvant dans la région de confinement des électrons, et ayant une énergie et une amplitude d'oscillation donnée, est déterminée par les configurations du champ continu et du champ haute fréquence. Si le champ haute fréquence et la fréquence propre d'oscillation de l'électron sont approxima-30 tivement égales, il est dit que la résonance existe et l'électron gagne de l'énergie fournie par le champ haute fréquence. En considérant à nouveau la discussion ci-dessus relative à la figure 2, quand les coordonnées paramétriques se trouvent dans une région instable, cela signifie que les deux fréquences sont suffisamment 35 adaptées pour que l'électron puisse gagner de l'énergie. Quand la fréquence propre de l'électron change avec l'énergie de l'électron, comme c'est-le cas suivant l'invention, la résonance n'existe plus si l'énergie de l'électron augmente au-delà' 70 02515 8 2044683 a!une limita donnée, c'est-à-dire si la fréquence propre a dépassé la plage compatible avec le gain d'énergie de l'électron. Cette condition correspond au côté gauche de la région instable considéré ci-dessus par rapport à la figure 2. 5 . L'énergie maximale de l'électron ne peut pas croître au- delà de la limite donnée et ne peut pas décroître sauf pendant un temps bref parce que cela permettrait à nouveau l'existence de la résonance et par suite le gain d'énergie jusqu'à la limite donnée. . Bien qu'à titre d'illustration la croissance de l'éner-10 gie de l'électron ait été considérée ci-dessus dans la seconde région instable, il est évident que pour des valeurs faibles de la tension haute fréquence le gain d'énergie le plus important peut avoir lieu dans la première région instable. L'utilisation de c.oor-• données dans la première région instable est avantageuse aussi 15 parce qu'elle permet l'utilisation de tensions haute fréquence et de tensions continues relativement basses pour obtenir un gain élevé d'énergie de l'électron. En considérant à nouveau L* apparëil représenté sur la figure 1, la valeur du champ magnétique induit par le solénoïde.32 20 (ou par des aimants permanents, si désiré) est réglée pour que les électrons se trouvant près du bord de l'ouverture 30 de l'anode entrent en collision avec l'anode 28 en raison de leur rayon de Larmor. Dans le cas d'utilisation d'aimants permanents, le champ magnétique peut être réglé à la valeur désirée en modifiant l'em-25 placement, la quantité et le type des aimants utilisés. De cette façon, seuls les électrons se trouvant près du centre de l'ouver- -ture 30, où la distributibn axiale du potentiel varie très peu, prennent part-au processus de gain d'énergie. Si le champ magnétique n'était pas ainsi réglé, l'énergie maximale atteinte par un 30 électron serait fonction de sa position radiale et par suite il n'y aurait pas une ligne de démarcation nette de l'énergie des électrons. L'appareil représenté sur la figure 1 établit une limite donnée à l'énergie des électrons dans le plan de l'anode. Dans des 35 positions situées axialement en dehors du plan de l'anode, les éœp-gies cinétiques des électrons sont plus faibles et par suite ces électrons sont capables d'exciter des états d'exitation situés plus bas. La distribution des énergies des électrons efficaces a par suite une composante importante d9énergie faible entraînant des pertes COpy 70 02515 9 2044683 d'énergie du Tait d.e l'excitation d'états non dés 1res , Ce n'est que quand l'état à exciter est à l'état le plus bas que les électrons de faible énergie sont sans importance. La forme plane simple d'électrodes représentée sur la 5 figure 1 est ainsi plus efficace pour le pompage qu'une décharge habituelle principalement quand l'état à exciter est un état le plus bas. L!avantage de l'invention par rapport à l'utilisation seulement de l'énergie des collisions est principalement que la limite supérieure nette de lfénergie des électrons élimine toute 10 énergie élevée marginale. Four minimiser l'effet de ces électrons d'énergie faible, un tube de dérive 38 peut être utilisé à la place de lfanode plane 28 de la figure 1. Comme le montre la figure 3 le tube de dérive 38 est pratiquement cylindrique et il est formé d'un élé=» 15 ment cylindrique extérieur 38a, d'un élément cylindrique intérieur concentrique 38b situé à l'intérieur du laser 10, et deux éléments annulaires plats 38ç_ reliant les éléments cylindriques 38^ et 38b à leurs extrémités. Les autres parties de l'appareil sont les mêmes que celles représentées sur la fi'gure 1. 20 Le tube de dérive 38 permet de maintenir les électrons de grande" énergie à ce niveau de grande énergie sur une grande partie de leurs trajectoires„ Le gain d'énergie a lieu dans les espaces 40 situés entre l'anode et les électrodes. Comme la plupart des électrons se trouvent à l'intérieur du tube de dérive, à n'im-25 porte quel moment donné parc-e que le tube de dérive 38 occupe presque toute la longueur de l'intérieur du laser, presque tous les électrons ont la même énergie et la décharge peut être considérée comme celle d'une source presque monoénergétique d'électrons. Un. autre avantage du mode de réalisation de la figure 3 30 est que l'ionisation de la source d'électrons, qui est de préférence une matière telle que le césium, a lieu de façon prédominante dans le tube de dérive 38, ce qui augmente la durée de vie des ions neutralisants. La présence de ces ions neutralisants permet aussi l'utilisation de densités d'électrons plus élevées que celles possibles 35 autrement. Comme l'appareil représenté sur la figure 3 peut être utilisé pour exciter des niveaux d'énergie atomique ou moléculaire Copy 70 02515 10 2044683 au-dessus de l'état d'énergie le plus bas, 11 est désirable que les paramètres électriques scient ajustés pour que la distribution étroite des énergies des électrons concorde avec le niveau supérieur d'énergie atomique ou moléculaire. 5 Four l'utilisation de 1!appareil selon la figure 3> le champ magnétique est positionne pour restreindre la région des électrons à une forme sensiblement cylindrique située dans une position sensiblement coaxiale à l'intérieur du tube cylindrique de dérive 38* La valeur de ce champ limite le volume des électrons à un diamètre 10 un peu inférieur à celui de 1:élément cylindrique intérieur 38b du tube de dérive. Le fonctionnement de l'appareil de la figure 3 est sensiblement le même que celui de l'appareil de la figure 1„ D'autres formes de tubes de dérive peuvent aussi être utilisées. Par exemple, la mime structure que celle représentée sur la figure 3 peut être utilisée dans l'élément- cylindrique intérieur 38b. De même, l'élément cylindrique intérieur 38b peut être remplacé par une grille cylindrique en fils métalliques ou par un certain nombre d'éléments annulaires disposés pour former un groupe sensiblement cylindrique. Une autre variantes est l'utilisation de plu-20 sieurs éléments annulaires creux, chacun ayant une section rectangulaire et ces éléments étant espacés pour former un groupe cylindrique et étant séparés par des Intervalles dans la direction axiale» Ces différents éléments'annulaires sont bien entendu connectés électriquement les uns aux autres et à la source de courant. Les confi-25 gurations mentionnées ci-dessus sont particulièremait utiles pour les utilisations expérimentales du laser,car une ou plusieurs sondes peuvent être facilement positionnées dans la région de décharge du tube de dérive. Pour de nombreuses utilisations d'un laser, il est dési-30 rable que le temps de rétablissement soit court, c'est-à-dire qu'il existe une période aussi courte que possible entre l'instant d'excitation atomique et l'instant où les électrons sont excités à nouveau au niveau désiré d'énergie, 11 est à noter que, dans l'appareil de la figure 3, les électrons doivent dériver sur toute la longœur 35 du tube de dérive avant de pouvoir être excités à nouveau. Le nombre d'excitations par électron est ainsi limité et le temps de rétablissement est prolongé. De même, en raison de la configuration du laserj des difficultés peuvent être rencontrées pour l'adaptation de la charge à une source haute fréquence, ces difficultés de traduisant °Opy 70 02515 „ 2044683 par l'utilisation d'une partie seulement de l'énergie haute fréquence fournie au laser pour exciter les électrons, j Les figures 4, 5 et 6 représentent un laser suivant un j autre mode de mise en oeuvre préféré. Ce laser comporte des cavités j 5 résonnantes 42 et 43 pour remédier aux limitations notées ci-dessus j tout en conservant les avantages décrits par rapport à la figure 3. Le laser des figures 4 à 6 comprend deux cavités résonantes 42 et 44> chacune constitué par un élément creux en forme de boîte avec un côté ouvert. Les cavités 42 et 44 sont parallèles et opposées l'une 10 à l'autre. Une cloison sensiblement pleine et épaisse médiane 46 est placée parallèlement entre les deux cavités 42 et 44 en étant séparée des deux cavités par des bandes en isolant électrique mince 48, 50 disposées sur les bords des cavités de la façon représentée plus particulièrement sur la figure 6. Cette cloison médiane 46 15 et les bandes isolantes 48 et 50 ferment le côté ouvert de chaque cavité 42 et 44 et assurent l'étanchéité à l'air de l'intérieur de l'appareil. Les bandes 48 et 50 sont suffisamment minces pour ne pas influer sur les champs haute fréquence dans les parois de la cavité, tout en permettant d'appliquer à la cloison médiane 46 20 une polarisation séparée en courant continu. Les parties importantes de l'Intérieur du laser sont représentées en tirets sur la figure 5. La cloison médiane 46 comporte une fente longue rectangulaire 52 dans une position centrale, figure5.Bes^sagss cylindriques 54€fc55~àLignê3 sur l'axe longitudinal 25 de la fente 52 font communiquer les extrémités de la cloison médiane avec les extrémités de la fente 52. Un miroir (réflecteur) 56 ayant : une réflectivité substantiellement inférieure à 100$ est placé dans l'extrémité de l'alésage 54. Un second miroir 58 ayant une réflectivité d'environ 100$ est placé dans l'extrémité de l'alésage 55» 30 Si désiré, des dispositifs convenables peuvent être uti lisés pour adapter les cavités au signal haute fréquence, Un système à vide et d'envoi d'un gaz de charge 64 est connecté par un conduit 64 à la cavité 42 pour assurer la même fonction que le système à vide 36 de la figure 1, i 35 La cloison médiane 46 est utilisée comme anode et 3e s j cavités 42 et 44 comme, cathodes pour la tension continue d'une sou- j ce d'alimentation en courant continu 67= Un oscillateur 65 produi- " sant le signal haute fréquence désiré est couplé au deux cavités résonnantes 42 et 44 d'une façon connue, Un enroulement de solé- j \ ! COpy 70 02515 12 2044683 noïde 66 est disposé sur le pourtour de l'appareil de la façon représentée sur la figure 4, et ce solénoïde est connecté à une source de courant électrique pour établir un champ magnétique uniforme dans la fente 52. Bien entendu, le solénoïde peut être 5 remplacé par des aimants permanents pour établir le champ magnétique. La fente 52 de la paroi médiane 46 permet le passage des électrons d'une cavité résonante à l'autre le long des lignes du champ magnétique et ils approchent de conditions libres-de chasçs 10 ou de la "région de dérive" qui est en partie comparable à la région comprise à l'intérieur du tube de dérive de la figure 3° Une différence importante par rapport à la figure 3 est que,bien que dans les deux cas figures 3 et 4 la région d'effet de laser occupe la région du tube de dérive 38 ou de la fente 52, dans le cas 15 des figures 4 à 6, les électrons de pompage dérivent transversalement à la fente 52. L'espace de dérive est ainsi bien plus petit dans ce cas et par suite l'électron moyen peut augmenter le nombre d'excitations par seconde qu'il peut provoquer de plus d'un ordre de grandeur. 20 Le fonctionnement du laser des figures 4 à 6 est similai re à celui décrit par rapport aux appareils des figures 1 et 3". Une tension en courant continu d'une valeur donnée est établie entre l'anode (cloison médiane '46) et les cathodes (cavités résonantes 42 et 44) pour produire un champ électrique dans les cavités. Des 05 ondes statlonnaires sont ensuite établies dans les cavités au moyen d'un, oscillateur 65 pour provoquer une excitation résonnante des électrons dans la région d'effet laser ce qui à son tour provoque une population, inversée dans les états excité3 du gaz de fond produisant une émission stimulée de photons dans cette région. 30 Ces photons sortant à travers l' alésage 54 da. la oloi-: s oh mé,dj.an e 32- La tension haute, fré quenoe et la tension continue devant être utilisées sont obtenues d'après un diagramme de Mathieu similaire à celui da la figure 2 et d'après l'analyse exposée ci-dessus relativement- à-la figure 2. 35 La configuration du champ, c'est-à-dire sa distribution est aussi une considération importante relativement au fonctionnement d:un appareil selon l'invention. Pour l'analyse de la distribution du champ, il est désirable d'utiliser un système ds coordc-n- 02515 13 2044683 10 nées avec la coordonnée x perpendiculaire au plan du côté large de la cavité, la coordonnée y le long de la largeur de la cavité et la coordonnée z suivant la longueur de la cavité d'après les figures 4 et 5 „ En utilisant le mode TEQ11 dans 1,118 oavit® ayant une dimension x faible et des dimensions y, z, comparables à une demi-longueur d'onde ( la largeur de la cavité étant désignée par "b" et la longueur de la cavité par "d"), les équations sont les suivantes s Ey = E2 . 0 ja /u c rr E = - sin sin x 2 b b 15 kc Hx - 0 y 20 K c ir 2 fi" y ir z H_ = sin • cos 2' db b d c TT y 1T z H = C cos sin 25 k2 » t v ) Ko v b ' 2 k2 (-*_) 2 . (-2-2D 2 CU /U b "max ~ A 30 E = L C r dans lesquelles; E = champ électrique H = champ magnétique yu= perméabilité de l'espace libre ^5 C = vitesse de la lumière k = nombre d'ondes = 2 ^— 02515 14 2044683 kQ = nombre d ondes de coupure qui est 1 inverse de la longueur d'ondes limite que la cavité peut maintenir j = déphasage 5 - En utilisant les équations ci-dessus, il est possible de déterminer la structure pour établir un champ pratiquement uniforme sur toute la longueur de la fente» En considérant la largeur de la fente (dans la direction y) assez petite par rapport à b, (largeur des cavités 42 et 44), l'amplitude du champ électrique change peu XO à travers la fente. Comme la longueur de la fente se trouve dans la direction z, le champ électrique varie d'une façon générale avec Tf z sin -"g—. Cependant si b change en fonction de z suivant une relation sinusoïdale inverse dans la région pour laquelle z est égal à d/2, E peut être maintenu constant sur bien plus de la longueur 15 de la fente tout en utilisant la plus grande partie de la longueur d de la chambre» Par suite, si » - b° sin 20 d. _ J-CjL)/U,b0 Ey = L 2_ c sin ** 7 x ir b Cependant, près de z = 0 ou z = d, la largeur de la cavi-25 té devrait devenir infinie. Comme bien entendu, cela n'est pas possible, la longueur de la fente doit être plus faible que la longueur de la cavité» En prédéterminant le rapport de la largeur minimale de la cavité à la largeur maximale de, la cavité, c'est-à-dire *foA>max la longueur maximale et la position de la fente par rapport à la 30 cavité peuvent être déterminées» Par exemple, pour b0 1 b 2 max 35 d , .52 d zmin sin " 1/2 - ~îr " '1655 d! D 02515 15 2044683 15 De façon correspondante z_o„ = tl - 0*1655)3 = 0,8]545d. niciJt Par suite, il est possible d'utiliser les 67$ du milieu de la longueur de la cavité. Pour b0 1 z, bmax tain = sln_1 1/3 " °'108d et W °'892d- Dans ce cas il est possible d'utiliser environ les 78$ du milieu de la longueur de la cavité pour la fente pour établir un champ électrique constant. Dans la structure de la figure 4, la largeur b de chacune des cavités 42 et 44 à côté de la fente 52 varie d'après l'équation „ —^ sin-21 d la largeur minimale de chaque cavité (b0) étant approximativement 20 la moitié de la largeur maximale de la cavité (bmaY). Le problème de la transmission de l'énergie haute fréquence à la région d'effet laser, c'est-à-dire la fente, est éliminé par l'utilisation des cavités résonnantes qui suppriment le problème de la réflexion dans la ligne de transmission- Par suite, 25 la source haute fréquence qui dans ce cas est l'oscillateur 65 a seulement à fournir la quantité d'énergie dissipée par les cavités 42 et 44 et par l'excitation des électrons pour maintenir les champs aux amplitudes désirées. L'énergie réfléchie aux couplages haute fréquence est faible et le rendaient global d'énergie est considé-30 rablement amélioré. Un autre avantage du mode de réalisation préféré des figures4 à 6 est que les cavités représentent vm moyen naturel pour l'utilisation des micro-ondes haute fréquence permettant l'utilisation de fréquences plus élevées et par suite un taux d'accroisse-35 ment supérieur d'énergie des électrons permettant un .plus grand nombre, d'excitations par seconde pour chaque électron. En outre, l'utilisation de fréquences supérieures permet de réduire les dimensions de la fente, ce qui, pour une valeur donnée de la tension haute fréquence, réduit au minimum la longueur de l'espace de dé- 70 02515 16 2044683 rive an augmentant à nouveau la baux de croissance de l'énergie. De même, les hautes fréquences plus élevées permettent la pénétration de plasma plus dense, c'est-à-dire un plus grand nombre d'électrons par unité de volume et des puissances finales plus élevées pour 5 le laser» Bien que trois modes de réalisation particuliers a'élec-= trodes soient représentés, d'autres formes d'électrodes peuvent être utilisées pour obtenir des configurations désirées des champs électriques» 10 II est possible en utilisant l'invention d'obtenir l'émis- t sIon d'une radiation électromagnétique de grande Intensité dans' 1 1,'infrarouge, le spectre visible, l'ultraviolet et même le spectre des rayons x mous. Bien que l'invention soit décrite ci-dessus en considé-15 rant le cas particulier du pompage d'un laser, l'invention peut être aussi utilisée pour provoquer l'émission de radiations non-• cohérentes dans une bande étroite de fréquences pour l'utilisation dans une lampe constituant un émetteur d'infrarouge, d.'ultraviolet, de lumière visible ou de rayons X. La* distribution étroite des 20 énergies des électrons peut aussi être utile pour d'autres applications,- par exemple pour la synthèse chimique. L'invention apporte ainsi un appareil et un procédé pour provoquer l'excitation résonnante d'électrons pour l'excitation des atomes d'un gaz de fond et l'émission d'un rayonnement cohé-25 rent ou non-cohérent de grande intensité au moyen d'une décharge haute fréquence à la tension et à la fréquence désirées dans une région contenant des électrons et définie à la fois par un champ magnétique et un champ électrique d'intensités prédéterminées., Bien entendu, la description qui précède n'est pas limi-30 tative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autr® variantes sans que l'on sorte de son. cadre. ^O.P'V' e y 02515 17 2044683 OJL?JLïLï_SJLï-ï_2JL§ 1. Appareil pour l'excitation résonnante d'électrons dans une bande étroite d'énergies à l'intérieur d'une enceinte contenant 5 un gaz caractérisé par un dispositif pour établir une source d'électrons dans l'enceinte, un dispositif pour établir un champ magnétique dans l'enceinte, un dispositif pour établir dans l'enceinte un champ électrique continu d'une intensité et d'une forme prédéterminées, le champ électrique continu et 10 le champ magnétique établissant une région de" confinement des électrons, et un dispositif pour établir un champ électrique haute fréquence d'une valeur, d'une configuration et d'une fréquence prédéterminées dans la région de confinement des électrons pour l'excitation d'électrons dans cette région, les valeurs 15 du champ électrique continu et du champ haute fréquence déterminant la fréquence propre des électrons présents dans la zone de confinement des électrons pour n'importe quelle énergie donnés des électrons et la fréquence prédéterminée du champ haute .fréquence correspondant pratiquement à la Résonance avec la fréquence 20 propre des électrons présents dans la région de confinement des électrons/ uniquement quand ces électrons se trouvent dans'la plage donnée d'énergies. 2. Appareil selon la revendication 1,caractérisé en ce que la source d'électrons est un gaz facilement ionisable dans l'en- 25 ceinte. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et ^ caractérisé par des miroirs opposés situés aux extrémités opposées de l'enceinte, la réflectivité de l'un des miroirs étant approximativement de 100$ et celle de l'autre miroir étant substantielle- 30 ment inférieure, les dispositifs pour établir le champ électrique continu et le champ haute fréquence comprenant plusieurs électrodes, au moins l'une des électrodes étant située entre les miroirs et étant adjacente à la région de confinement des électrodes 4. Appareil selon la revendication 3*caractérisé en ce que 35 l'une des électrodes est une plaque plane sensiblement parallèle aux plans des deux miroirs, sensiblement à mi-distance entre les miroirs et comportant une ouverture circulaire position 70 02515 18 2044683' née pour qu'une partie de la région de confinement des électrons passe.à travers cette ouverture. 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé'en ce que l'une des électrodes est un tube de dérive long s1 étendant entre 5 les miroirs et positionné pour qu'au moins une partie de la région de confinement des électrons se trouve dans le tube de dérive. 6o Appareil selon la revendication 5*caractérisé en ce que le tubé de dérive est sensiblement cylindrique. 7. Appareil selon l'une des revendications 1 à J>, caractérisé 10 . par une cloison médiane comportant une fente longue .et définissant au moins en partie l'enceinte, un dispositif pour permettre 1p. transmission des radiations électromagnétiques à partir de la fente longue, et une paire de cavités résonnantes, une de chaque côté de.la cloison médiane, comportant un côté ouvert vers 15 la cloison médiane, les cavités résonnantes et la cloison médiane constituant des électrodes pour lesdispositifs établissant le champ électrique continu et le champ haute fréquence, et la région de confinement des électrons étant située dans la fente de la cloison médiane. 20 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif permettant la transmission des radiations électromagnétiques comprend un passage faisant communiquer la fente longue avec la surface extérieure de l'appareil, un premier miroir ayant une réflectivité substantiellement inférieure à 100$ 25 disposé b travers le passage, et un second miroir d'une réflectivité d'environ 100$ situé dans une position directement opposée à celle du premier miroir et à une certaine distance de celui-ci. 9. Appareil selon l'une des revendications 7 et 8,earac-30 térisé en ce que la largeur de chaque cavité varie selon une relation sinusoïdale. 10. Procédé pour l'excitation résonnante d'électrons dans une bande étroite d'énergie à l'intérieur d'une, enceinte contenant vlA caractérisé par l'établissement d'un champ magnétique 35 dans l'enceinte, l'établissement d'un champ électrique continu d'une intensité et d'une configuration prédéterminées dans l'enceinte pour établir avec le champ magnétique une région de confi- 70 02515 19 2044683 nement des électrons et l'établissement d'un champ électrique haute .fréquence d'une configuration et d'une fréquence données à travers la région de confinement des électrons pour provoquer l'excitation résonnante des électrons dans une bande étroite 5 donnée d'énergie dans la région de confinement des électrons» 11» Procédé selon la revendication 10,caractérisé par l'établissement initial du vide dans l'enceinte, l'introduction dans l'enceinte d'un gaz à effet laser et l'addition à ce gaz d'un gaz facilement ionisable»