Brevet FR2090266A1 — publié le 19720114

186^6 2090266 La présente invention concerne un laser à gaz à décharge électrique provoquée par un faisceau d' électrons* Les lasers à gaz sont des appareils idéaux pour les applications demandant une grande énergie du fait que le milieu 5 gazeux a effet de laser n'est pas endommagé par le faisceau de lumière intense* Cependant, il est difficile d'obtenir et de maintenir une inversion importante des populations à l'état d'énergie permettant l'effet laser dans le milieu gazeux. Par exemple, des pompes optiques telles que des lampes éclair ne 10 peuvent pas transférer suffisamment d'énergie en un temps suffisamment court pour établir une inversion importante des populations dans un gaz. Actuellement, ainsi qu'il est connu, l'excitation par décharge électrique est la technique la plus efficace de pompage 15 pour un gaz à effet laser. Dans une décharge électrique le gaz du laser est à la fois excité directement par les collisions d'électrons et par le transfert d'énergie résonnante d'un second gaz excité par des collisions d'électrons. Cependant., une décharge électrique stable et uniforme n'existe que pour des pressions 20 basses (vide). Par suite, la densité d'énergie d'un système de laser à gaz est relativement faible. L'invention évite les inconvénients des systèmes de lasers à gaz connus antérieurement au moyen d'un système de laser à gaz haute pression dans lequel une impulsion de particules 25 chargées énergétiques d'un dispositif accélérateur est envoyée à travers un milieu gazeux pour provoquer une décharge électrique uniforme entre des électrodes d'une surface efficace importante. En raison de la largeur très courte en temps et de l'uniformité de l'impulsion de particules chargées et de la décharge déclen-50 chée, des quantités extrêmement importantes d'énergie peuvent être uniformément fournies au milieu gazeux à effet laser avec un très faible déplacement net d'électrons libres. L'invention a par suite pour objet un système de laser à décharge électrique provoquée par un faisceau d'électrons. 55 L'invention a aussi pour objet un système de laser à gaz haute pression d'une grande puissance. L'invention a aussi pour objet un système de laser à gaz dans lequel des quantités extrêmement importantes d'énergie 2 71 18646 2090266 peuvent être uniformément fournies au milieu gazeux à effet laser avec un très faible déplacement net d'électrons libres. L"invention a aussi pour objet un système de laser à gaz dans lequel une impulsion de particules chargées énergétiques 5 d'un dispositif accélérateur est dirigée à travers un milieu gazeux pour provoquer une décharge électrique uniforme entre deux électrodes ayant des surfaces efficaces importantes. L'invention a aussi pour objet un système de laser à gaz haute pression d'une grande puissance à impulsions de parti-10 cules chargées d'une largeur très courte en temps d'une grande uniformité et à décharge déclenchée pour permettre de fournir des quantités importantes d'énergie d'une façon uniforme au milieu gazeux à effet laser avec un déplacement net très faible d'électrons libres. 15 L'invention a aussi pour objet un système de laser à gaz pouvant produire des impulsions linéaires d'.une énergie moyenne de l'ordre d'environ 20.000 joules avec une durée totale d'impulsion de l'ordre d'environ 0,5 microseconde donnant une puissance nominale d'impulsion de l'ordre de 10^ mégawatts. 20 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : la figure unique représente schématiquement en perspective et partiellement en coupe un laser à gaz selon un mode de 25 mise en oeuvre de l'invention sous la forme d'un oscillateur dans lequel le faisceau d'électrons est dirigé à travers le milieu gazeux perpendiculairement au trajet optique. Une description plus générale de l'invention est donnée ci-après avant la description détaillée du laser suivant le mode 30 de mise en oeuvre représenté. Le laser à gaz pompé à faisceaux d'électrons de grande puissance comporte un milieu gazeux à effet laser placé dans une cavité optique d'un récipient comportant des électrodes importantes isolées électriquement l'une de l'autre, et un accélérateur de 35 particules chargées dirigeant un faisceau d'électrons à travers le milieu gazeux perpendiculairement ou parallèlement au trajet optique. Une batterie importante de condensateurs est connectée électriquement aux électrodes. La section transversale du faisceau 71 18646 2090266 est approximativement égale à la section transversale du récipient. La tension appliquée aux électrodes est légèrement inférieure à la tension de claquage du gaz à effet laser. L'effet laser est induit par une impulsion de faible largeur dans le 5 temps de particules de grande énergie d'un accélérateur, cette impulsion ionisant le milieu gazeux en provoquant ainsi une décharge capacitive entre les électrodes formées par des plaques de grande superficie. L'impulsion de particules de déclenchement et la décharge électrique déclenchée excitent le milieu gazeux 10 en établissant une inversion importante des états d'énergie des populations des espèces produisant l'effet laser. L'émission « spontanée, ou bien la présence d'une impulsion de l'oscillateur démarre l'effet de laser. Le système peut engendrer des impulsions de laser d'une énergie totale de l'ordre d'environ 20.000 joules 15 de sorte que l'énergie est libérée ou délivrée en 0,5 microseconde, donnant une puissance nominale de l'ordre d'environ 10^ MW„ La figure unique représente un laser à gaz.de grande énergie à décharge électrique déclenchée par un faisceau d'électrons, sous la forme d'un oscillateur désigné par la référence 10., 20 et qui comporte principalement- un accélérateur d ' électrons puisés 12 et un récipient ou caisse sous pression 13 comportant deux électrodes 14 en plaques d'une grande surface efficace, par exemple en cuivre, deux parois latérales isolantes .15 transparentes à la lumière, par exemple en chlorure de sodium, et deux parois 25 16 aux extrémités opposées (dont une seule est représentée) transparentes aux électrons de grande énergie, par exemple en feuille mince de n'importe quel métal, tel que l'aluminium et pouvant supporter les pressions utilisées. La caisse 13 contient un milieu gazeux sous pression pour laser 11 par exemple un 30 mélange COg-N^-He. Deux miroirs 17 (l'un ayant par exemple un facteur de réflexion de 100 % et le pouvoir réflecteur de l'autre étant réglé pour obtenir le signal sortant de laser maximal) sont placés sur les côtés opposés de la caisse 13 en étant espacés, des parois latérales 1-5 pour définir une cavité optique entre les 35 électrodes plates 14. Cependant, les miroirs 17 peuvent être placés si désiré à l'intérieur de la caisse pour faire partie intégrante des parois de la caisse, ou bien à l'extérieur mais contre les parois de la caisse. La caisse 13 est placée sur le 71 18646 3050266 trajet du faisceau d'électrons de l'accélérateur 12 de la façon indiquée par les flèches 18. Un dispositif classique 19, tel qu'un dispositif manipulateur de faisceau utilisant des champs magnétiques ou des films diffuseurs, est placé entre l'accélérateur 5 12 et la caisse 13 pour disperser le faisceau d'électrons 18 afin qu'il ait la même section transversale que la caisse sous pression 13. Le dispositif diffuseur 19 est raccordé à la caisse 13 par une partie de section croissante 20. Une batterie de condensateurs 21 est connectée électriquement par des conducteurs 10 22 et 23 aux électrodes 14. Un appareil d'alimentation en courant électrique classique 24 charge la batterie de condensateurs 21 à travers une connexion convenable 25. Pendant le fonctionnement, la batterie de condensateurs 21 est chargée par le dispositif d'alimentation 24 jusqu'à ce que 15 la tension appliquée aux électrodes 14 soit légèrement inférieure à la tension de claquage du milieu gazeux 11 à l'intérieur de la caisse 13. Une impulsion brève d'électrons de grande énergie 18 (de l'ordre de l'énergie au repos d'un électron) est engendrée "" par l'accélérateur 12. L'impulsion ou faisceau 18 traverse le 20 dispositif diffuseur 19 dans lequel il est dispersé de façon qu'il ait la même section transversale que la caisse 13, et il traverse le milieu gazeux 11 approximativement à la vitesse de la lumière en ionisant légèrement le milieu gazeux par des collisions d'électrons pour déclencher une décharge électrique uniforme 25 importante entre les électrodes plates 14„ L'impulsion d'électrons 18 ainsi que la décharge électrique déclenchée entre les électrodes 14 excitent toutes deux le milieu gazeux à effet laser, établissant une inversion importante des populations. Plus précisément, dans le cas du mélange COg-Ng-He comme gaz de laser à 30 titre d'exemple, le faisceau d'électrons et les électrons de la décharge excitent le mélange C02, N? et He à des états d'énergie supérieure par collisions. Le N2 excité transfère de façon résonnante l'énergie au C02 non excité. Par suite, il en résulte une-' . inversion des populations des états énergétiques à effet laser 35 des molécules de COg. L'émission spontanée à partir du C02 excité provoque 1'émission laser. Un exemple de composition du mélange gazeux est 40 % de C02> 50 % de Ng et 10 % de He, en volumes. A titre d'exemple seulement et dans le cas du mélange 5 71 18646 2090266 C02~N2°"He le chamP électrique entre les électrodes 14 provoqué par la batterie de condensateurs 21 est d'environ 5 kV/cm, l'énergie de l'impulsion d'électrons de l'accélérateur 12 étant d'environ 300 joules» 5 Des impulsions de laser ayant une énergie totale de l'ordre d'environ 20.000 joules peuvent être engendrées de cette façon. L'énergie est libérée ou délivrée entre environ 0,5 microseconde, donnant une puissance nominale de l'ordre d'environ l4 ' 10x KW. 10 II ressort de ce qui précède que le laser à gaz à dé charge électrique déclenchée par un faisceau d'électrons selon l'invention diffère du laser à gaz pompé à décharge électrique antérieure du fait que le milieu gazeux à effet laser est un gaz haute pression situé entre des électrodes en forme de plaques. 15 Ce milieu gazeux est pompé par déclenchement d'une décharge uniforme entre les électrodes par une impulsion d'électrons de grande énergie. Par suite, les impulsions de pompage d'une durée très courte, environ 0,5 microseconde, sont possibles. De cette façon, l'énergie totale du signal sortant ou du signal laser 20 sortant du laser selon l'invention est au moins de trois ordres de grandeur supérieure à celle des lasers antérieurs. Bien que l'appareil selon le mode de réalisation représenté utilise un faisceau d'électrons traversant le milieu gazeux perpendiculairement au trajet optique (entre les miroirs 17) le 25 faisceau peut être dirigé à travers le milieu gazeux dans une direction parallèle au trajet optique, et la direction du faisceau par rapport au trajet optique ne doit pas être considérée comme limitée à la direction particulière choisie suivant l'exemple considéré. 30 Bien que les électrodes soient représentées et décrites sous la forme de plaques plates, il est possible d'utiliser un groupe de points émetteurs de champ connectés électriquement les uns aux autres, à la place de chaque électrode en plaque. L'appareil suivant le mode de réalisation décrit à la 35 configuration d'un oscillateur, mais cependant un appareil selon l'invention peut fonctionner aussi bien avec une configuration d'amplificateur en supprimant les miroirs pour obtenir un trajet pour la lumière à travers les parois transparentes 15 et le milieu 6 71 18646 °.090266 gazeux 11 afin que, quand un gain apparaît, une impulsion d'un oscillateur extérieur puisse être amplifiée au passage à travers ce milieu à gain élevé„ Bien entendu, la description qui précède n'est pas -limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre0 71 18646 7 2090266 REVENDICATIONS 1. Laser à gaz à décharge électrique déclenchée par un faisceau d'électrons caractérisé par un dispositif définissant une cavité optique, un milieu gazeux de laser contenu sous haute pression dans cette cavité, un accélérateur d'électrons couplé 5 à la cavité optique par un dispositif diffuseur de faisceau d'électrons pour diriger des faisceaux d'impulsions courtes d'électrons de grande énergie à travers la cavité, ce dispositif diffuseur dispersant les impulsions d'électrons de l'accélérateur pour que le faisceau d'électrons ait une section transversale con-10 cordant sensiblement avec la section transversale de la cavité optique et la cavité optique comportant au moins une paire d'électrodes opposées l'une à l'autre, et un dispositif couplé aux électrodes pour établir entre les électrodes une tension légèrement inférieure à la tension de claquage du milieu gazeux 15 sous pression. 2. Laser à gaz selon la revendication 1 caractérisé en ce que le faisceau d'électrons de l'accélérateur, dispersé par le dispositif diffuseur, traverse le milieu gazeux en l'ionisant légèrement pour déclencher une décharge électrique uniforme impor- 20 tante entre les électrodes pour l'excitation du milieu gazeux et l'établissement d'une inversion importante des populations produisant un signal sortant de grande énergie. 3'. , Laser à gaz selon revendication 1 ou 2 caractérisé en ce quë le dispositif définissant la cavité optique comprend une 25 caisse formée par les électrodes opposées, une paire de parois latérales isolantes transparentes à la lumière, une paire de parois formant les extrémités opposées transparentes aux électrons de grande énergie et un miroir à côté de chaque paroi latérale. 4. Laser à gaz selon la revendication 3-caractérisé en ce 30 que les électrodes sont en cuivre, les parois latérales en chlorure de sodium et les parois des extrémités en métal en feuille mince. 5. Laser à gaz selon la revendication 3 caractérisé en ce que le système de miroirs est formé par deux miroirs, l'un des 35 miroirs ayant un pouvoir réflecteur d'environ 100 % et le pouvoir réflecteur de l'autre miroir pouvant être réglé pour obtenir le 71 18646 2090266 signal sortant maximal du laser. 6. Laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le dispositif dispersant le faisceau d'électrons est un dispositif manipulateur de faisceau à champ 5 magnétique. 7. Laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le dispositif dispersant le faisceau d'électrons est un dispositif manipulateur de faisceau à films diffuseurs. 10 8. Laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les dispositifs appliquant la tension aux électrodes comportent une batterie de condensateurs et un dispositif pour charger cette batterie. 9. Laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 15 à 8 caractérisé en ce que le milieu gazeux est essentiellement un mélange de CO^, de Ng et de He. 10. Laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que les électrodes sont constituées par deux électrodes en forme de plaques ayant des surfaces efficaces 20 importantes.