Brevet FR2086481A1 — publié le 19711231

La présente invention concerne les lasers infrarouges dans lesquels un gaz moléculaire polyatomique est utilisé comme constituant actif du milieu laser. En particulier, la présente invention concerne l'utilisation de l'état métastable d'une molécule diatomique pour induire une inversion de population 5 et un gain optique dans les gaz moléculaires polyatomiques. Les spectres de niveaux d'énergie des gaz moléculaires sont beaucoup plus complexes que ceux des gaz atomiques. Une molécule polyatomique même lorsqu'elle est dans son état électronique fondamental, possède des niveaux d'énergie qui correspondent à des déformations mécaniques de la molécule 10 et qui peuvent être excités, tel est le cas de la vibration selon un déplacement périodique et de la rotation autour du centre de masse de la molécule. Ces énergies de vibration et de rotation sont quantifiées, c'est-à-dire qu'elles n'existent que dans certains états bien définis,analogues aux états discrets des niveaux électroniques des atomes. Dans la structure la plus simple, par 15 exemple, une molécule diatomique, plusieurs niveaux de vibration approximativement également espacés existent; pour chacun desquels on trouve plusieurs niveaux de rotation. Ceci explique les diagranmes des niveau d'énergie très compliqués des gaz moléculaires. Comme pour les niveaux électroniques des atomes, la population des niveaux supérieurs vibrationnels des molécules 20 est inférieure à celle des niveaux inférieurs vibrationnels. Pour obtenir une émission laser, la population de ces niveaux doit être inversée. C.K.N. Patel a décrit l'inversion des niveaux vibrationnels dans le dioxyde de carbone (CO^) dans son article paru dans Physical Review Letters, 23 Novembre 1964, page 617. Presque aussitôt après, Patel a montré que l'a-25 zote dans son niveau vibrationnel métastable (v-1) pouvait être utilisé pour augmenter sélectivement la population d'un niveau vibrationnel supérieur du CQ^ par transfert résonnant par collisions inélastiques. Le niveau 001 du CO^ est quasi-résonnant avec le niveau v»1 de l'azote. Une émission laser proche de 10,6 microns a été observée. Depuis cette découverte, on a développé des 30 lasers à CQ^ qui émettent une radiation cohérente avec une puissance énorme. Il est probable que la réalisation la plus notable est un laser à CQ^ dont la longueur est de 1 mètre et qui donne une puissance de sortie continue de 1 KW. Des puissances de sortie continues de 8,8 K.W ont été obtenues à partir de laser à C0^ ayant des longueurs beaucoup plus grandes et théoriquement 35 on peut encore obtenir une puissance supérieure. Patel et d'autres ont aussi montré que CS^ et N^O donneraient une émission laser aux environs de 10 microns lorsqu'ils sont excités par de l'azote excité vibrationnellement. On a cherché ensuite un laser à gaz moléculaire polyatomique qui émette éfficacement une radiation dans la région inférieure à 10 microns. Un laser 40 à ^-CQ qui engendre des radiations à une longueur d'onde d'environ 5 microns 71 11207 2 2086481 a été mis en évidence. Cependant» son domaine de fonctionnement le plus efficace a lieu à la température de l'azote liquidej à la température ambiante ce laser n'est pas efficace et ainsi n'a pû trouver d'application importante. L'utilisation d'un gaz diatomique possédant dans son prénier niveau 5 de vibration métastable un quantum d'énergie supérieur à celui de l'azote a été suggérée par d'autres. Il apparaît que la molécule diatomique d'hydrogène avec un niveau d'énergie de 4.159, 2 cm (2,4 microns) peut être utilisée dans son premier niveau vibrationnel métastable pour exciter une molécules polyatomique qui possède un niveau vibrationnel supérieur qui soit quasi- -1 10 résonnant avec celui de l'hydrogène (environ 4160 cm ). Le niveau v*1 de H ~1 2 à 4159,2 cm , de meme que pour N^, ne possède pas de moment dipolaire permanent par rapport au niveau v * 0. Ainsi, le niveau v - 1 de est métastable et ne peut pas se relaxer par des transitions radiatives. Le seul mécanisme de dépopulation du niveau v»1 au niveau v-0 se fait par des colli- 15 sions inélastiques avec d'autres molécules ou sur les parois de l'enveloppe. De plus, la section efficace pour l'excitation du mode vibrationnel de par impact électronique dans un gaz à faible pression a été mesurée. De ces travaux on peut déduire les réactions suivantes : (1) H2 (v»0) + e •* H2* (v-1) ♦ e 20 * où (v»1) représentais premier niveau d'énergie vibrationnelle de dans son état électronique fondamental. (2) H2* (v-1) + M -* H2 (v-0) + 11* = AE & où H2 (v»1) correspond à ce qui a été dit ci-dessus, (1 représente le niveau 25 vibrationnel de la molécule polyatomique 11 qui est quasi-résonnant avec le niveau d'énergie H * (v=1) et AE est la différence d'énergie entre les * * niveaux d'énergie du H2 et detl . (3) M* M ♦ hv laaeï, où u est la fréquence de la radiation émise lorsque la molécule (1 30 laser passe à un niveau d'énergie inférieur. Cependant, les tentatives pour obtenir une inversion de la population et un gain optique avec des systèmes molécules polyatomiques-H2 n'ont pas réussi. Certains ont essayé des gaz tels que h^O,. NHg, HCN et CH^. Chacune de ces 35 molécules possède un niveau vibrationnel supérieur qui est quasi résonnant avec le premier niveau vibrationnel de H dans son état électronique £ fondamental [H2 (v*1)] et possède des- transitions permises vers un niveau intermédiaire entre le niveau supérieur et l'état fondamental. L'appareil oscillateur utilisé était semblable à celui utilisé par Patel pour obtenir 40 l'émission dans son mélange N2_C02. On n'a observé aucune émission laser pour 71 11207 3 2086481 chacun de ces mélanges. Indépendamment d'autres ont essayé d'exciter NH3, C^H2» CH^, C2H^, et C^Hg avec H2> Aucune émission laser n'a été observée. La raison apparente de cet échec est l'incapacité d'exciter l'hydrogène de son état fondamental, H2(v«0) à son premier niveau vibrationrel H* (v*1). 5 Par conséquent, un objet dB la présente invention est d'obtenir une in version de population et un gain dans un gaz moléculaire en excitant le gaz avec une molécule diatomique excitée vibrationnellement qui présente des niveaux métastables supérieurs à ceux de l'azote. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un laser à gaz 10 moléculaire qui émette des radiations à des longueurs d'onde inférieures à 10 microns. Ces objets et d'autres sont obtenus en excitant vibrationnellement l'hydrogène pour surpeupler un niveau vibrationnel supérieur quasi-résonnant d-'une-moléculs polyatomique. La molécule est un gaz polyatomique possédant 15 un niveau d'énergie supérieur qui est quasi-résonnant avec le premier niveau vibrationnel de l'hydrogène et qui possède des transitions vers un niveau intermédiaire situé entre le niveau résonnant et l'état fondamental. L'hélium doit être ajouté au mélange. Les additions d'hélium permettent de régler la tenpérature électronique et la densité électronique du mélange gazeux. Cela 20 décale la distribution d'énergie des électrons vers des valeurs plus favorables pour l'excitation par impact électronique des niveaux vibrationnels de l'hydrogène. On n'obtient une émission qu'une fois que l'hélium est ajouté au mélange hydrogène molécule polyatomique et que la pression des gaz est réglée de telle sorte que la distribution d'énergie des électrons soit plus favora-25 ble à l'excitation de à son niveau H^* (v=1). Des gaz tels que l'hélium, le xénon et le néon ont précédemment été ajoutés à un laser N2"C02 pour augmenter sa puissance de sortia L'effet de ces gazs est de redistribuer les niveaux supérieur et inférieur de ration du C02 71 11207 4 2086481 n'est pas capable d'augmenter la température électronique dans le gaz N2~C02 comme le fait He dans le mélange avec de la présente invention. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit fait.en référence aux dessins annexés 5 à ce texte et qui représentent des modes de réalisation préférés de celle-ci. La figure 1 représente schématiquement et sous forme simplifiée un générateur de lumière cohérente contenant les mélanges gazeux de la présente invention. La figure 2 représente schématiquement le circuit utilisé pour obtenir 10 une excitation en impulsions des mélanges gazeux. La figure 3 représente sous forme simplifiée un diagramme des niveaux d'énergie de l'acétylène CC^H^Ï. La figure 4 représente un tracé obtenu sur un oscilloscope montrant la puissance de sortie du laser comparée au courant d'entrés provenant de la 15 source d'excitation. Les figures 5 et 6 représentent sous forme simplifiée des diagrammes des niveaux d'énergie du méthane (CH ] et de l'ammoniac (NH ] respectivement. j * □n se réfère à la figure 1, où est représentée une enveloppe 10 remplie avec le mélange gazeux de cette invention. L'enveloppe 10 peut être un tube 20 en verre d'une longueur allant de quelques centimètres à plusieurs mètres. selon la puissance de sortie désirée. Le diamètre de l'enveloppe peut varier d'une fraction de centimètre à plusieurs centimètres. Dans un mode de réalisation de l'invention, le diamètre intérieur de l'enveloppe 10 est de 1,27 cm et la longueur est de 1,40 mètre. Une chemise 11 entoure l'enveloppe 10 dans 25 un but de refroidissement. Elle peut contenir n'importe quel réfrigérant tel que de l'eau ou des gaz liquéfiés, selon la température désirée du mélange gazeux. L'enveloppe est disposée entre les supports 12 et 13 . On utilise des réflecteurs 14 et 15 pour définir une cavité optiquement résonnante. Les réflecteurs peuvent être plans parallèles, semi-confocaux, confocaux ou con-30 centriques. Pour obtenir un alignement exact, ce qui est critique, on utilise des soufflets 8 et 9 en acier inoxydable pour permettre l'alignement des réflecteurs. Dans la présente réalisation, les deux réflecteurs sont des miroirs à large bande très réflecteurs. Le réflecteur 14 est un miroir revêtu d'or avec un rayon de courbure de 5 mètres; le réflecteur 15 est plat, constitué 35 d'un cristal de rev®tu d'or avec un trou de diamètre de 1/2 mm dans le revêtement d'or. Le trou permet qu'une petite fraction de l'énergie intérieure à la cavité optique résonnante formée par les réflecteurs 14 et 15 soit couplée avec l'extérieur de la cavité. Un spécialiste de l'art reconnaîtra que les réflecteurs peuvent être du type à bande étroite, choisis pour ne réfléchir 40 qu'une longueur d'onde choisie. 71 11207 5 2086481 Les moyens pour produire les impulsions de courant électrique dans l'enveloppe 10, en excitant ainsi le mélange, comprennent la cathode 16, l'anode 17 et la source d'impulsions de potentiel élevé 20. L'appareil et le fonctionnement de la source d'impulsions seront expliqués plus complètement 5 ci-après en se rapportant à la figure 2. Les électrons libres sont le mécanisme d'excitation initial du système et sont fournis par la cathode 16 et par l'ionisation des gaz dans l'enveloppe 10. La cathode et l'anode peuvent être toutes les deux composées d'acier inoxydable, de nickel, de tungstine ou d'un autre matériau convenable. Dans la réalisation préférée 10 la cathode et l'anode sont composées de nickel. Un écoulement continu des gaz constituant le milieu dans lequel se produit l'effet laser est obtenu dans l'enveloppe de plasma 10 au moyen d'une entrée de gaz 21 et d'une sortie de gaz 22 qui est connectée à la pompe d'aspiration 23. Des sources d'hydrogène, d'hélium et du gaz polyatomique 40, 15 41 et 42 respectivement, sont connectées à l'entrée de gaz 21 par l'intermédiaire des débimètres convenables 50, de valves à pointeau 51 et du conduit 52. Chaque débimètre et sa valve à pointeau associée commande la pression partielle et la vitesse d'écoulement du gaz associé. Un transducteur 54 connecté au tube 52 mesure la pression partielle totale des gaz avant qu'ils 20 pénètrent dans l'enveloppe de décharge 10. Un dispositif 53 convertit la mesure de pression en une lecture électrique. L'émission laser à travers l'ouverture dans le réflecteur 15 peut être détectée à l'aide de l'un des détecteurs disponibles dans le commerce (non représenté) tel qu'un détecteur Ge-Au. 25 La source d'impulsions de potentiel élevé 20 représentée dans la figure 1 peut prendre différentes formes. La réalisation préférée représentée dans la figure 2, est constituée d'une alimentation d'énergie continue de potentiel élevé 31 connectée à une combinaison résistance-condensateur 32, 33. Le point borne 28 entre la résistance 32 et le condensateur 33 est connecté à l'anode 17 30 et à un cfité de la résistance 34. Le point borne 29 de la résistance 34 opposé à l'anode 17 est connecté à la cathode 16 et à la plaque d'un thyratron 35. L'oscillateur 36 et le générateur d'impulsions 37 sont utilisés par l'intermédiaire du transformateur 38 pour faire fonctionner le thyratron 35 de façon répétitive. Dans le fonctionnement d'une réalisation de cette invention, 35 l'alimentation 31 fournit un potentiel de 10 kilovolts à travers la résistance 32 pour charger le condensateur 33. Cette valeur est choisie pour dépasser le potentiel de claquage du gaz dans l'enveloppe 10. Ce potentiel dépend du mélange gazeux particulier utilisé et de la pression du gaz dans l'enveloppe 10. Les résistances 32 et le condensateur 33 ont des valeurs de 40 150 KQ et de 0,02 pF respectivement. 71 11207 6 2086481 La résistance 34 a une valeur de 1 MO. L'oscillateur 36 fonctionne à différentes fréquences comprises entre 1 et 250 Hz pour commuter le thyratron 35 avec la même fréquence. Lorsque le thyratron est rendu conducteur, la plaque 35 et la cathode 16 ont leur potentiel proche du potentiel de masse. Cela 5 entraîne la décharge au travers de l'enveloppe 10 de la figure 1, entre l'anode 17 et la cathode 16 de la charge conservée dans le condensateur 33. Un spécialiste de l'art reconnaîtra que la conception et la construction de la source d'impulsions à potentiel élevé n'est pas originale. De plus, une excitation en courant alternatif, en courant continu ou en courant HF plutôt 10 qu'une excitation en impulsions ont été utilisées avec succès pour d'autres lasers à gaz moléculaire. Cependant, l'énergie d'excitation supérieure disponible à partir d'une impulsion courte rend l'excitation en impulsions plus favorable. Un spécialiste de l'art reconnaîtra que l'énergie totale de l'impulsion 15 doit être suffisamment faible pour ne pas dissocier le gaz et suffisamment élevée pour exciter le gaz vibrationnellement. Dans la réalisation préférée de la présente invention, l'énergie de l'impulsion est d'environ un joule. Dans la réalisation préférée de l'invention, l'inversion de population et le gain optique sont obtenus en utilisant un mélange de H2-C2H2-He. 20 L'émission laser a été observée en utilisant l'appareil décrit dans les figures 1 et 2. Comme on le décrira plus tard, l'acétylène CC2H2) a le nombre le plus élevé de transitions laser possible parmi les molécules qui sont connues pour avoir des niveaux d'énergie vibrationnelle quasi-résonnants avec le niveau d'énergie (v*1). 25 L'acétylène est une molécule symétrique linéaire avec la configuration H-C - C-H. Pour ce système, il existe cinq modes de vibration, fondamentaux désignés par les notations v. .... , v_. Les notations Eg, Eu, Ilg et Ily 1 b ajoutées en suffixe au mode de vibration représentent les espèces ou type de symétrie des vibrations fondamentales. Les deux derniers modes de vibra-30 tions sont des modes de flexion dégénérés, notés par des indices supérieurs. Ceux qui sont intéressés par une explication plus complète de cette notation doivent consulter Herzberg, Infrared and Raman Spectra,D. VanNostrand and Co., 1945. Les niveaux vibrationnels pertinents de C2H2 sont représentés dans la figure 3, figure à laquelle on se réfère maintenant. 35 La figure 3 représente de façon simplifiée un diagramme des niveaux 1 d'énergie vibrationnelle de Dn voit que le niveau 1000 à 4091 cm est quasi-résonnant avec le niveau H2* Cv=1) à 4159,2 cm et la possibilité de transfert résonnant d'énergie vibrationnelle par collision inélastique existe comme le montre la formule: 40 (4) H2* (v=1) + C2H2 t0000°0°} -* H2 (v=0) + 71 11207 7 2086481 C2H2*C100Q11) + AE = 68.2 cm"1 où 00D0°0° représente le niveau vibrationnel fondamental et 10001 se trouve -1 1 à 4091 cm . Une molécule d'acétylène dans le niveau 10001 ny peut alors + -1 revenir par émission de radiation au niveau 10 000 Eg à 3373,7 cm , + 5 satisfaisant la règle de sélection u g. Du fait que le niveau 10000 Eg est 1 1 alors pratiquement en résonnance de Fermi avec à la fois les niveaux 0101 1 + + -1 Ey et 00100 Ey à environ 3 290 cm un échange rapide d'energie peut se produire même si la règle de sélection u*-*- g est violée. La molécule peut + 11 + alors quitter n'importe lequel de ces trois niveaux 10 000 Eg, 0101 1 Eu 10 et 00100 Ey pour les transitions permises u *-*■ g. Cbs transitions vers des niveaux d'énergie inférieurssont indiquées par les lignes pointillées et la radiation qui serait émise donnée en microns à côté des lignes pointillées dans la figure 3. Par exemple, un passage du niveau 10000 Eg au niveau 1 01001 nu donnera une émission à 14,9 microns. 15 Les niveaux 0002*1 Hy et 01000 Eg sont aussi pratiquement en résonnance de Fermi et peuvent échanger rapidement leurs énergies. Certaines des transitions vibrationnelles permises pour la molécule d'acétylène sont données dans la table 1. On doit remarquer que les énergies données dans la table 1 ne sont que les différences des niveaux d'énergie vibrationnelle pour les transitions 20 spécifiées et ne comprennent pas les niveaux de rotation. Ou fait que les molécules à chaque état vibrationnel sont distribuées selon une loi de Boltzmann, les différences des niveaux d'énergie réelles peuvent être calculées avec précision. TABLE I - Transitions de C^ 25 TRANSITION VIBRATIONNELLE ENERGIE LONGUEUR D'ONDE 100011ïïy 10000 Eg 717,0 cm"1 13,95 y 10000 Eg -»■ 000011 ny 2642,5 cm"1 3,78 y 10000 Eg -> 010011 ny 672,2 cm"1 14,90 y 10000 Eg 0002°11 ny 1417,7 cm"1 7,05 y 000031Hy ->• 00011o ng 1603,2 cm 6.22 y 0002111ny -> 00011o ng 1344,0 cm"1 7,45 y 0101 Vlly s -► 01000 Eg 1320,2 cm 7,57 y 00100 Ey -> 01000 Eg 1313,2 cm"1 7,61 y 01000 Eg -> 000011 ny 1244,7 cm"1 8,03 y 10000 Eg 000031 ny 1158,7 cm"1 8,64 y 100011Hy -y 01000 Eg 2117,2 cm"1 4.72 y Comme on peut le voir à partir du nombre important des transitions dans le C H, représenté dans la figure 3 et la table 1, une population 2 2 sélective du niveau vibrationnel 10001 par transfert d'énergie vibrationnelle 71 11207 8 2086481 de-H^* (v«1) offre de nombreuses possibilités pour de nouvelles lignes d'émission laser dans la région du proche infrarouge du speetre. En utilisant l'appareil représenté dans la figure 1, un mélange H2~C2^2~He trèS riche en a utilisé comme milieu d'émission laser. 5 On a utilisé une excitation en impulsions, plutôt qu'une excitation continue, par la source d'impulsions 20 car la densité électronique provenant du premier mode d'excitation est supérieure d'au moins un ordre de grandeur à celle provenant du dernier mode d'excitation pour le mélange gazeux utilisé, □n observe une émission laser à 8,04 microns sur une ligne unique sans ligne 10 de rotation. Pour mesurer la longueur d'onde de l'émission laser on utilise un spectromètre Czerny-Turner d'un mètre comprenant un réseau IR à 98 traits/ mm réglé pour 7 microns. A une température de 300°K., on obtient une émission à partir d'un flux .gazeux ayant des pressions partielles de 2 torrs de H2, 1 torr de C2H2 15 et une pression partielle comprise entre 10 et 20torrs de He. On modifie la pression de He entre 10 et 20 torrs sans affecter l'émission laser. Les tentatives pour obtenir une émission à partir d'un plasma de C2H2, d'un plasma C2H2~He ou d'un plasma ~ ^2 ont échoué. Avec une température d'environ 2Q0°K, on obtient une émission pour un 20 flux gazeux possédant un domaine plus étendu de pressions partielles. 1 à 2 torrs de H2> 2 à 4 torrs de C2H2 et 10 à 20 torrs de He. Dans cet essai, le réfrigérant dans la chemise 11 de la figure 1 est maintenu à 200°K. La température du mélange gazeux dans l'enveloppe 10 n'a pas été mesurée. L'amélioration dans les domaines de pression avec les températures inférieu-25 res n'est pas inattendue. Le refroidissement augmente la vitesse à laquelle l'état fondamental des molécules est dépeuplé. La figure 4 représente graphiquement sous forme combinée une impulsion de courant déchargée à travers l'enveloppe 10 et l'impulsion laser observée dans un flux gazeux ayant des pressions de 2 torr de H2> 1 torr de 30 C2^2' et C'8 torrs de He à Tm30QoK. On voit que l'impulsion de courant a une valeur moyenne d'environ 200 microsecondes. L'entrée d'énergie totale est d'environ 1 joule. L'impulsion laser a une largeur d'environ 25 microsecondes et une puissance de crête de 5,7 watts à 8,040 + 0,0012 u> Dans cet essai on observe l'émission laser à des taux de répétition 35 d'impulsions de courant allant de 1 à 250 impulsions_par seconde. Il existe une transition taibration-rotation, la ligne Q(12) sur la bande + 1 01000 Eg - 00001 nu de C2H2 qui a une longueur d'onde calculée de 8,0404 microns. Le gain normalisé théorique de cette bande de vibration-rotation atteint pratiquement QI12) pour des petites valeurs d'inversion des niveaux 40 vibrationnels. Ainsi, l'émission laser semble provenir de la ligne Q (12) 71 11207 v, 2086481 + 1 de la banda 01000 Eg - 00001 Ey de En 3UPPosant qu'il en soit ainsi, le laser fonctionne alors comme un laser classique à quatre niveaux. Comme on le montre dans la figure 3, le pompage se produit ptnr l'intermédiaire d'un transfert résonnant d'énergie vibrationnelle du niveau v*1 de qui â été 5 excité par l'impact des électrons dans le plasma riche en hélium: [5) H2 (v«0) + e ■+ H2* (v»1) +e L'hydrogène excité excite vibrationnellement l'acétylène de son état 1 foddamental à son niveau 10001 par collisions inélastiques: (6) W* (v-1) + C2H2 (00000) -»• H2 tv-0) + Z^\* C100011) ♦ 10 AE - 68.2 cm"1 Le niveau C H (10001 3 peut alors effectuer des transitions permises + vers le niveau OlOOOEg qui est le niveau laser supérieur. + 1 La transition radiative se produit au niveau 01000 Eg au niveau 00001 Hp: 15 £7) C_H„ (01000) -»• C_H_ (00001) + h v. » 8.040 microns 2 2 2 2 laser. -, Le niveau laser inférieur, le niveau 00001 IIp, est alors dépeuplé par la transition permise 00001 IIp - 00000 Eg. Cette découverte peut conduire à une émission laser à d'autres longueurs d'onde dans le C2h2 ou d'autres gaz qui ont des niveaux d'énergie 20 vibrationnelle résonnants avec le niveau v * 1 de H2 bande étroite de réflexion, par exemple, une émission laser proche de. 4 + 1 * microns peut être produite par transition 10000 Eg - 00001 IIp de ^2^2* Cst'fce émission aura un rendement quantique potentiel d'environ- 65% (comparé à 40% obtenu avec l'émission laser de 10 microns de CO ). La ligne à 8 microns de la b + 1 2 25 transition 01000 Eg - 00001 IIp d'autre part, a un rendement quantique de potentiel d'environ 30%. On se réfère maintenant à la figure 5, où le diagramme des niveaux * vibrationnels du méthane (CH^) est représenté. CH^ a quatre modes de vibration, fondamentaux v., v„, v„ et v.. Les niveaux 0011, 0102, et 1001 sont 1 2 3 4 . ★ "1 30 situés près du niveau d'énergie H(v-1) à 4159,2 cm . Les transitions possibles qui peuvent résulter de la population sélective de l'un de ces niveaux sont montrées dans la figure 4 et on en donne la liste ci-dessous dans la table II. > Table 2 - Transitions de CH4 35 TRANSITION VIBRATIONNELLE ENERGIE LONGUEUR D'ONDE 0011 -»■ 0010 1292,9 cm"1 7,75 p 0011 0001 3007,0 cm"1 3,25 p 0102 -> 0002 1523,0 cm"1 6,57 p 0102 0101 1300,0 cm"1 7,70 p 71 11207 10 2086481 tabla 2 (suite) TRANSITION VIBRATIONNELLE ENERGIE LONGUEUR D'ONDE 1001 1000 1299,8 cm"1 7.72 v * 1001 -»■ 0001 2910.1 cm"1 3.42 u 5 L'ammoniac (NH ) est une molécule pyramidale symétrique avec quatre o modes fondamentaux. Les niveaux vibrationnels de NH^ sont représentés dans la figure 6. Certaines des transistion* possibles résultant du transfert résonnant d'énergie vibrationnelle de sont représentées dans la figure 6 et on en donne la liste dans la table 3. Les niveaux 0102. 1100. et 0110 * -1 10 sont tous situés près des niveaux H (v»1) de 4159.2 cm , le niveau -1 0102 de 4176 cm ayant la résonnance la plus proche. Les deux niveaux d'énergie représentés pour chacun de ces modes de vibration proviennent du fait que le mode v^ est divisé par doublement par inversion où l'atone N est déplacé à travers le plan dans une position équivalente sur le cSté 15 opposé. Table 3 - Transitions de NH„ TRANSITION VIBRATIONNELLE ENERGIE LONGUEUR D'ONœ 0102 -»■ 0100 3248 cm"1 3.07 u "1 0102 ■* 0001 2589 cm 3.85 p 20 0102 -► 0002 997 cm"1 10. 00 u 0102 -»• 0101 1704 cm"1 5.87 u La molécule d'éthylène CC^H^) possède douze modes de vibration, v, ... v„_. Les énergies vibrationnelles associéesavec chacun de ces 1 12 modes sont données dans l'ouvrage de Herzberg, déjà cité, mais du fait de 25 la complexité d'un diagramme de niveaux d'énergie, on ne le représentera -1 pas. Le niveau v +2v + v à 4206,7 cm est très proche dù nivepu H2 (v*1) à 4159,2 cm . La population de ce niveau par transfert résonnant d'énergie vibrationnelle peut pboutir aux transitions représentées dans la table 4. 30 Table 4 - Transitions de C^H^ TRANSITION VIBRATIONNELLE ENERGIE LONGUEUR D'ONDE V3 + 2V7 ♦ V1Q -»• V3 2865 cm 3,49 u V3 ♦ 2V7 ♦ V1Q -y 2V7 2309 -1 cm 4,33 y 35 V3 + 2V7 + V10 ■> V10 3212 -1 cm 3,12 v En résumé, la présente invention montre qu'une molécule polyatomique possédant les deux caractéristiques suivantes est particulièrement apte à l'émission laser: 71 11207 2086481 C1) elle doit posséder un niveau d'énergie quasi-résonnant avec le niveau H2* (v«1) ; et 123 elle doit posséder des transitions permises entre le niveau résonnant et l'état fondamental. 5 On ajoute l'hélium pour établir la pression et la composition du mélmnge gazeux au niveau qui donne une distribution d'énergie électronique favorable à l'excitation vibrationnelle des molécules de On utilise l'acétylène comme gaz polyatomique préféré car il possède plus de transitions possibles ue tous les autres gazs connus possédant les deux caractéristiques 10 ci-dessus. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins 3tes caractéristiques principales de l'invention appliquée à des modes de réalisation préférés de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détails qu'il juge utiles 15 sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 12 2086481 71 11207 REVENDICATIONS 1. Laser produisant une radiation infrarouge cohérente caractérisé en ce qu'il comprend : une paire de réflecteurs formant une cavité résonnante pour la réflexion de la radiation infrarouge ; un mélange gazeux d'hydrogène, d'hélium et d'une molécule polyatomique qui possède un niveau d'énergie résonnant proche du niveau d'énergie vibrationnelle du premier état métastable de l'hydrogène, et qui possède des transitions permises entre le niveau d'énergie résonnant et l'état 10 fondamental % et des moyens pour exciter le mélange gazeux par énergie électrique pour amener l'hydrogène à son premier état métastable, pour induire ainsi une émission laser par excitation vibrationnelle de la molécule polyatomique. 2. Laser selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz polyatomique 15 est choisi dans le groupe constitué par l'acétylène, le méthane, l'ammoniac et l'éthylène. 3. Laser selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens pour exciter le mélange gazeux comprennent des moyens d'excitation en impulsions. 20 4. Laser selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens pour faire cicculer de façon continue le mélange gazeux à des pressions partielles choisies dans l'enveloppe ; et des moyens de réfrigération pour commander la température du mélange gazeux. 25 5. Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz polyatomique est l'acétylène et ce que les pressions partielles de l'hydrogène, de l'acétylène et de l'hélium sont comprises dans les domaines suivants : 2 à 4 torrs, 1 à 2 torrs et 10 à 20 torrs respectivement. 6. Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz polyatomique 30 est l'acétylène, la température du dispositif de réfrigération est d'environ 300°K et que les pressions partielles de l'hydrogène, de l'acétylène et de l'hélium sont respectivement de 2 torrs, 1 torr et comprises entre 10 et 20 torrs pour provoquer l'émission laser à 8,040 microns. 5 une enveloppe disposée entre les deux miroirs ; 71 11207 2086481 7. Laser selon la revendication 5, caractérisé en ce que la température du dispositif de réfrigération est d'environ 220°K« ceci pour provoquer une émission laser à 8,040 microns. 8. Procédé pour induire une inversion de population dans une enveloppe contenant un mélange gazeux d'hydrogène, d'hélium et d'une molécule polyatomique qui possède un niveau d'énergie résonnant proche du premier état métastable de l'hydrogène et qui possède des transitions permises entre le niveau d'énergie résonnant et l'état fondamental, caractérisé en ce qu'il comprend : l'excitation du mélange gazeux à l'aide d'énergie électrique pour amener l'hydrogène à son premier état métastable, ce qui induit l'inversion de population par excitation vibrationnelle de la molécule polyatomique. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : la circulation continue du mélange gazeux dans l'enveloppe à des pressions partielles choisies pour chaque gaz et, la commande de la température de l'enveloppe contenant le mélange gazeux. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la molécule polyatomique est de l'acétylène. 11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que les pressions partielles des gazs sont : 2 torrs^ compris entre 10 et 20 torrs et 1 torr pour l'hydrogène, l'hélium et l'acétylène respectivement, et la température de l'enveloppe est d'environ 300°K. 12. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que les pressions partielles des gazs sont : comprises entre 2 et 4 torrs, entre 10 et 20 torrs et entrB 1 et 2 torrs pour l'hydrogène, l'hélium et l'acétylène respectivement, et la température de l'enveloppe est d'environ 220°K.