Brevet FR2070191A1 — publié le 19710910

- i - La présente invention concerne les lasers a gaz circulant et plus particulièrement des moyens pour stabiliser le plasme de la décharge électrique- de celui-ci contre le& forces exercées par le gaz circulant sur le plasme. 5 Récemment de nombreux perfectiormements. ont été réa lisés dans la technique des lasers s gaz. En particulier on a appris que les lasers à vibration moléculaire du type à gaz circulant peuvent produire des densités d'énergie extrêmes ainsi qu'une puissance spécifique et une puissance totale de sortie 10 extrêmement haute. Ces caractéristiques sont en outre améliorées dans un laser à gaz circulant, dans lequel la région d'amplification optique, qui peut être une cavité optique dans le cas d'un oscillateur, ou un ou plusieurs chemins d'amplification optique entre des miroirs appropriés dans le cas d'un amplificateur, se 15 trouve au même endroit que le plasme de la décharge électrique dans laquelle l'inversion d'occupation du.gaz de laser est réalisée; Si le plasme s'étend à l'extérieur de la région d'amplification optique, le rendement électrique et la puissance totale le sortie sont diminués. L'échauffement des gaz par le plasme est réduit, 20 lorsque le gaz circule le long de la plus petite dimension du plasme. Ainsi un laser, dont la région d'amplification optique et le plasme s'étendent au même endroit à travers le flux du gaz, a été trouvé très désirable. Une difficulté réside dans le pouvoir d'éliminer les 25 effets du gaz circulant sur le plasme. Plus particulièrement, le plasme tend a être chassé en aval, c.-à-d. au dehors de la région d'amplificationcptique, ou le gaz sera reparti d'une manière inefficace dans une large région d'amplification optique. Afin de parer à cela, une compensation au moyen d'une pré-ionisâtion à 30 haute fréquence a été suggérée. En plus, une autre forme de compensation a été proposée utilisant un champ magnétique transversal au flux du gaz et au champ électrique. Cependant aucune de ces compensations n'est complètement stable£ et il est difficile de fournir sous toutes les conditions de fonctionnement un plasme 3 5 maintenu invariablement en place et qui est limité, de sorte qu'il se trouve toujours dans la région d'amplification optique. Le but de la présente invention est de fournir une pour le plasme stabilisation améliarée/ge la décharge électrique transversale BAD 70 42237 2 _ 2070191 au flux du gaz d'un laser s craz circulant. Selon l'invention un champ magnétique crradué est orienté transversalement paE rapport au flux du gaz et du champ électrique du laser è gaz circulant, type champ électrique transversal . Le champ magnétique exerce, une force graduée sux les électrons qui se déplacent de la cathode vers 1'anode pour créer une force en direction opposée au flux du gaz, cette force aug-mertant en direction amont de celle-ci, donnant ainsi une position de fonctionnement unique et stable. La présente invention peut être réalisée avec des moyens simples et fournit un plasme transversal extrêmement stable et bien contrôlé. L'invention sera maintenant décrite avec référence aux dessins annexés qui représentent un mode de réalisation préféré de la présente invention, et dans lesquels: La figure.1 est une illustration des forces obtenues par la présente invention; et la figure 2 est une vue simplifiée schématique, partiellement en coupe, d'un laser à gaz circulant avec stabilisation magnétique en accord avec les principes de la présente invention. Nous nous référons d'abord à la figure 2, qui représente un laser à gaz circulant dans lequel est incorporé la présente invention. Le laser comprend une conduite 10 traversée par un gaz de laser ou tout autre gaz approprié, le gaz circulant dans la* direction indiquée par la flèche 14. Le mélange de gaz peut comprendre, p.ex» des passes égales de. dioxyde de carbone d'azote, et d1 hé 1 iura r ou d ' autres rapports ou mélanges connus dans l'art. lî est important de noter que le mélange particulier du gaz n'a pas d*importance significative pour la présente invention, puisque 1.'invention se rapporte aux forces exercé© par un champ magnétique sur des électrons mobiles à l'intérieur d'un plasma d'une décharae électrique, ces forces étant indépendantes du mélange particulier de gas employés; bien que la vitesse de déplacement des électrons soit dépendante en parti du mélange de gaz, la grandeur du champ magnétique et son emplacement peuvert être ajustés comme requis.. A la conduite lO sont fixées des structures qui BAD ORIGINAL7 70 42237 2070191 - * - comprennent des miroirs 15", 16 formant lai cavité optique et incorporent des moyens"d'accouplement appropriés tel qu'un miroir partiellement réflecteur ou un trdu 17 à l'intérieur d'un- des miroirs, ainsi qu'une anode 18 et une cathode 19 pour établir une 5 décharge électrique. L'anode 18 et la cathode 19 sont connectées par des conducteurs électriques appropriés 20 è un circuit d'ali -mentation 22. Des deux côtés de la conduite 10 en aval des structures 15-19 sont disposées des pièces polaires magnétiques 24, 2 6 de forme affûtée. Celles-ci créent un champ magnétiquedirigé du 10 haut vers le bas, voir le vecteur 23 dans Fia.-2. Ce champ magnétique est gradué en direction du flux de gaz. La migration des é-lectrons de la cathode vers l'anode donne un vecteur "courant" (opposé au flux d'électrons) de l'anode vers la cathode, tel que montré par le vecteur 30. 15 On sait que l'interaction entre un courant électri que et un champ magnétique donne naissance à une force,dans le présent cas celle-ci est dirigée en amont, voir le vecteur 32. Cette force s'exerce sur les électrons et tend à maintenir ceux-ci dans l'espace entre l'anode 18 et la cathode 19. Cependant, 20 l'effet des gaz circulants sur les ions est beaucoup plus grand que sur les électrons, puisque la masse des ions est de plusieurs ordres dé grandeur plus grande que la masse des électrons. Cependant la neutralité électrique exige, si les électrons sont maintenus dans l'espace entre les pièces polaires tandis que les ions 25 tendent de se déplacer en aval, qu'il y ait une force d'attraction électrique entre les ions, et les électrons qui fait que les ions restent en général ±rès rapprochés des électrons. Le champ magnétique peut être créé au moyen d'électro-aimants au lieu des aimants permanents 24. 26. L'extrémité 30 aval de la conduite 10 peut être connectée s un dispositif d'échappement approprié pour libérer les gaz d'ans l'atmosphère; ou un dispositif appropri- peut être prévu pour créer un système de circulation des gaz en circuit fermé, de sorte que les gaz sont continuellement récirculés à travers la conduite 10. Il est important 35 pour la présente invention que le champ magnétique soit capable de produire uœforce sur les électrons comme suite du produit vectoriel I x B, qui est opposé au flux-'des gaz à travers le plasme de la déchargé électrique, fians les lasers à gaz, tel que les la- BAD ORJGlKJAl/ 70 42237 2070191 - 4 - sers au dioxyde de carbone, -le -plasme : à l'intérieur du champ électrique est reladveraent . faibl-eî^enit ionisé. Dans ce cas, la force magnétique exercée sur les électrons par le champ magnétique est donnée par l'équation . . 5 - - • =-ey^EB . _ . e = charge électrique /J - mobilité des électrons, qui est pri-mairement déterminée par les colli-. sions avec les molécules neutres 10 E = champ électrique B = densité du flux magnétique. Ainsi la force magnétique exercée sur les électrons est directement proportionelle au champ magnétique. En prévoyant un gradient dans le champ magnétique, un gradierfc.pour la force 15 magnétique existera sur une distance donnée le long de la conduite 10, en général près de la région d'amplification optique. C'est a ceci que se rapporte 1'amélioration de la présente invention. Dans la figure 1 (a) sont montrés les pièces polaires magnétiques 24, 26 comme étant situées légèrement en aval de la 20 région d'amplification optique identifiée par les structures 15-19 Le gradient du champ magnétique le long de la partie de la con- . duite 10 représentée dans la figure 1 (a) est illustré dans la figure 1 (b) . Ainsi le champ magnétique est maximum directement entre les pièces polaires et a un gradient le long du chemin du flux des 25 gaz. Le champ magnétique étant plus faible en direction aval et amont. La force F résultant i-u champ magnétique est montrée dans la figure 1(c) comme étant proportionelle du champ magnétique illustré dans la figure 1 (b), De l'autre côté, la force due à l'effet de la circulation des aaz F_, est constante en direction aval, r 30 comme montrée dans la figure l(d). Ces deux forces combinent leur action sur les électrons, qui leur tour attirent les ions et stabilisent ainsi le plasme, pour donner une force totale F „ telle que montrée dan- la ÊLgure l?a^ . Il y a deux points où. les forces s-ont exactement écrales l'une ! l'autre; un point étant situé en 35 aval l'autre point étant situé en amont du centre des pièces polaires 24 26. Cependant, un de ces points seulement est un point stable, tandis que l'autre point est un point non stable. En choisissant la position des pièces polaires de sorte qu'elles se bad original1 70 42237 2070191 - 5 - trouvent en aval de la région d'amplification optique, un point de fonctionnement stable est obtenu où les forces tendent à s'égaliser. Ceci est plus clairement illustré dans la figure 1(f) où l'énergie potentielle est représentée en fonction de la distance 5 le long de la conduite 1G. Cette énergie potentielle est donnée par l'expression P.E. = ^x- En d'autres mots, au point où se trouve la région d'amplification optique (15-19) se trouve un minimum de l'énergie potentielle de sorte que toute tendance de la décharge de se déplacer en amont par une force magnétique 10 excessive, résulte dans une diminuation de la force magnétique, de sorte que les forces'exercées par les gaz circulant retourneront la décharge électrique dans la position du minimum de l'éner gie potentielle, De l'autre côté, toute tendance de la force exer cée par les gaz circulants pour vaincre la force magnétique et 15 déplacer la décharge en aval, fera qu'une force magnétique plus grande sera exercée sur le plasme pour retourner celui-ci dans le centre du minimum. 70 42237 2070191 - 6. - REVENDICATIONS 1)^ ~ Un laser à gaz du type où l'énergie électrique est. couplée aia gaz passant à travers la région d'amplification optique par les collisions d'électrons è l'intérieur du plasme 5 d'une décharge électrique établie dans la région d'amplification optique et où l'énergie optique de sortie est accouplée dans, la région d'amplification optique, caractérisé par des moyens pour définir une région d'amplification optique, des moyens pour fournir dans la région d'amplification optique un flux d'un mé-10 lange de gaz comprennant un gaz à laser, des moyens pour établir une décharge électrique dans la région d'amplification optique, le champ électrique de cette décharge étant transversal au flux des gaz à travers la région d'amplification optique, et des moyens pour établir un champ magnétique dans la. région d'amplifica-15 tion optique transversal par rapport au flux des gaz et au dit champ électrique et orienté de façon à produire une force sur les électrons du plasme de la décharge, électrique résultant du dé-placement des électrons dans le plasme de la décharge électrique, qui est opposée b la direction du flux des gaz et les dits moyens 20 établissant le champ magnétique produisant un champ magnétique d'amplitude variable le long de la région d'amplification optique, l'amplitude du champ magnétique étant plus grande à l'extrémité aval de la décharge et plus faible à l'extrémité amont de celle-ci. 25 2) Le laser à gaz selon la revendication 1, caracté risé en ce que les moyens d'établissement du champ magnétique sont montés en aval de la région d'amplification optique et comprennent des pièces polaires magnétiques affûtées disposées de part et d'autre'du flux des gaz. 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