Brevet FR2096661A1 — publié le 19720225

Cette invention concerne les masers optiques et pas particulièrement un appareil t une méthode de production on d'une inversion de population dans un gaz qui c'écoule comprenant le milieu actif. Les masers optiques ou lasers, @éveloppés par la technique, mettent généralement en jeu l'établissement d'une répartition artificielle des electrons liés à des niveaux d'énergie autres que pour la répartition naturelle dans un milieu porteur, par application dune source énergie appelle "énergie de pompage Ceci fait qu'il y a un plus grand nombre de e molécules su d'atomes dans un certain niveau d'énergie élevé que dans un niveau d'énergie inférieur auquel il est optiquement relié. Ceci st appelé "inversion de population" Les électrons présents dans le milieu porteur suivant la distribution artificielle cèdent alors leur énergie et subissent une transition vers le niveau d'énergie infé- rieur.L'énergie libérée peut entre sous la forme de rayonnement électromagnétique qui, dans la majorité des dispositifs jusqu'ici rencontrés dans la technique, est la lumière visible ou la lumière infrarouge. Dans les dispositifs a maser optique dont on dispose couramment dans la technique, on peut employer un gaz, tel un mélange hélium-néon, ou bien un cristal, tel un oxyde d'aluminium dopé au chrome, ou encore un solide non cristallin, tel le erre de néodyme, ou enfin un liquide, tel le néodyme trivalent dans l'oxychlorure de sélénium, comme milieu qui réagit à énergie de pompage, en permettant l'inversion de population d'électrons entre un état excité et un état inférieur. En revenant à l'état inférieur les électrons émettent des quanta d'énergie lumineuse ou photons et c'est ce que l'on appelle dans la technique la transition par rayonnement.Lorsque la densité de ces photons @evient grande, la probabilité de transition par rayonnement augmente; et en présence d'une inversion de population, les modes élect@omagnétiques d'émission des photons deviennet à leur tour plus aisément suscep tibles d'y indure une nouvelle émission Ceci est appelé dans la technique "émission stimulée de rayonnement" et entraîne un rétrécissement de la raie d'émission.Dans les dispositifs à @a optique dont on dispose couramment. la puiss@nce éloctrique est transformée en puissance optique, en lumière da pompage ou en @ décharge électrique ou courant électrique, qui sont à leur tour utilisés pour créer l'inversion de population Le récent développement d'amplificateurs et de générateurs de lumière cohérente, que l'on appelle maintenant en général "masers optiques" ou "lasers" a rendu possibles un grand nombre de nouvelles utilisations et applications de l'énergie des ondes électromagnétiques dans la partie optique du spectre.Les ondes lumineuses produites ou amplifiées par de tels dispositifs peuvent être focalisées de façon très précise pour donner des densités d'énergie appropriées pour le soudage, la coupe, le perçage et objectifs similaires. En outre, le haut degré de monochromaticité que l'on peut obtenir d'un maser optique en fait un outil utile pour les recherches spectroscopiques ainsi que pour la stimulation de divers types de réaction chimiques et physiques. Parmi les applications les plus prometteuses des amplificateurs et générateurs de lumière cohérente, on trouve celles qui concernent les communications où le spectre optique représente une largeur de bande et une capacité de transport d'informations pratiquement illimitées. En outre, le caractère directionnel des rayons du maser optique atténue grandement maints problèmes d'interférence et de sécurité des canaux de communications. Pour les communications et autres applications il est intéressant de disposer de masers optiques pouvant fonctionner sur de nombreuses longueurs d'ondes différentes dans le spectre lumineux, que l'on estime comprendre l'énergie infrarouge, visible et ultraviolette. Comme la longueur d'onde émise par une quelconque transition d'énergie particulière dans un milieu laser ne peut être accordée que sur une petite partie du spectre, il importe de prévoir un certain nombre de matériaux conçus pour être utilisés comme milieux lasers actifs à diverses fréquences lumineuses. D'importante rcherches ont récemment été orientées vers la découverte de ces matériaux et on en a découveet un certain nombre. De plus, en particulier pour les communications, il importe que des milieux lasers soient fournis qui soient adaptés au fonctionnement en onde continue(CW).En général, de tels milieux sont ceux qu sont caractérisés par trois niveaux d'énergie ou plus, dont au moins deux sont optiquement reliés. Une autre exigence des communications est un faible bruit, particularité qui, du fait de la structure complexe et des caractéristiques d'émission des solides, semble plus facile à réaliser avec les masers optiques gazeux. Le haut gain d'un laser à gaz rend possible la réalisation d'un amplificateur optique utile qui est purement et simplement le laser sans aucun miroir. Lorsqu'un rayon lumineux externe traverse le mélange actif d'un amplificateur optique, les atomes ou molécules qui se trouvent dans l'état excité approprié sont stimulés et émettent, en augmentant ainsi le flux de photons Dans un tel dispositif, la longueur d'onde de la lumière incidente qui doit être amplifiée doit etre accordée de façon précise à celle qui résulte du processus d'émission stimulée;par exemple, un amplificateur à l'hélium-xénon est spécifique pour l'amplification d'un rayonnement de 2,03 microns, et un amplificateur au gaz carbonique est spécifique pour l'amplification dlun rayonnement de 10,6 microns.Les amplificateurs optiques sont utiles en tant que partie d'un système pratique de communications par laser. Tous les dispositifs connus de la technique antérieure ont une puissance relativement faible. Un système de grande puissance (jusqu'à un mégawatt ou plus) est possible, meme pour les applications aux communications, selon la présente invention. Ainsi, un système de communicatiorsde grande puissance peut comprendre un laser conventionnel au C02 excité électriquement pour l'oscillateur et un amplificateur dynamique à gaz seion la présente invention. Dans ce système, sont assuréssnon seulement la commande du mode de fonctionnement CE à grande puissance, mais aussi une stabilisation et une modulation de fréquence qui tiennent au laser électriquement excité, lorsque les techniques conventionnelles sont applicables et que la puissance qui circule est faible en comparaison de la puissance de sortie du système. Dans les référence Polanyi identifiées ci-dessous, il est suggéré que les inversions totales ou partielles peuvent être obtenues comme résultat direct d'une réaction chimique. Sans écoulement, de telles inversions sont passagères, Même si on communique thermiquement des impulsions au gaz et si on le laisse atteindre l'équilibre de façon différenciée, les dispositifs ainsi révélés sont intrinsèquement des dispositifs à faible densité puisque l'énergie de translation et de rotation est perdue par diffusion vers les parois. I1 apparaitra cependant ci-après que, selon la présente invention, le gaz se refroidit par dilatation jusqu'aux vitesses supersoniques, ce qui constitue intrinsèquement un processus volumique et peut s'exécuter dans un récipient de n'importe quelle taille et pour toute densité compatible avec les temps de relaxation de vibration du gaz qui sont intéressés. Les documents de Hurle et al également identifiés ci-dessous, proposent la dilatation supersonique comme méthode de production de l'inversion de population entre des états électroniques par relaxation différenciée de rayonnement. Bien qu'en théorie (Hurle et al admettent qu'ils n'ont pu observer d'inversion) on peut présumer qu'une population inversée peut être obtenue de cette façon, la taille d'un dispositif basé sur ce principe est limitée à cause du "piégeage par rayonnement" et aussi parce que les températures de stagnation requises pour qu'une fraction appréciable de l'énergie se trouve au niveau électronique voulu à l'équilibre, sont très élevées.Par contre, la mise en oeuvre de la présente invention est basée sur des transitions entre les niveaux de vibration de l'état électronique fondamental qui sont appréciablement peuplés aux températures raisonnables de stagnation que l'on peut atteindre, par combustion par exemple. En outre, la relaxation différenciée qui conduit à l'inversion est régie par les collisions et constitue donc un processus volumique n'entratnant aucune limite fondamentale pour la taille du dispositif. On a découvert, selon la présente invention, que l'inversion de population peut être obtenue par dilatation dtun gaz polyatomique chaud, ou de préférence, d'un mélange en équilibre d'un gaz polyatomique et d'au moins un autre gaz, dans une tuyère supersonique. Les gaz polyatomiques ont plusieurs modes de vibration; les temps nécessaires à l'équilibre avec la translation et la rotation de l'énergie de vibration de différents modes peuvent être très diffErentsl!e cette différence entre les temps de relaxation . de vibration de modes distincts qui permet la production d'une inversion complète de population entre des niveauxde vibratioeide différents modes selon la présente invention.Ainsi, la présente invention envisage la dilatation rapide d'un gaz polyatomique dans une tuyère supersonique dans les conditions de densité et de température indiquées plus en détail ci-dessous et telles que le temps de relaxation effectif du niveau supérieur du laser soit long en comparaison de la durée d'écoulement dans la tuyère, tandis que le temps de relaxation effectif du niveau inférieur du laser soit court en comparaison de la durée d'écoulement dans la tuyère. A mesure que le gaz polyatomique passe d'une vitesse subsonique à'ligne vitesse supersonique dans la tuyère, la température et la densité chutent rapidement pendant que la vitesse augmente. Si un tel gaz en équilibre est prévu dans la région subsonique à une température suffisante pour qu'il existe une excitation de vibrationconsidérable et s'il se dilate à une température basse dans un temps moindre que le temps de relaxation de vibration pour le niveau laser supérieur du gaz, alors l'énergie de vibration du niveau laser supérieur ne peut suivre cette variation rapide de température et reste à une valeur élevée.Dans la région dilatée en aval de la tuyère, où la pression et la température sont faibles en comparaison de leur valeur initiale en amont de la tuyère, le temps de relaxation du niveau laser supérieur est grandement accru et lténergiede vlbrati- du niveau laser supérieur peut être maintenue constante sur une distance considérablement plus grande que la taille de la tuyère. De plus, dans la région dilatée, la pression et la température sont telles que le temps de relaxa- tion du niveau laser inférieur est substantiellement inférieur au temps de relaxation du niveau laser supérieur de sorte que l'énergie de vib@@uion du niveau laser inférieur reste très proché.de l'équilibre avec la translation et la rotation.Ainsi, dans la région dilatée en aval de la tuyère, l'énergie de vibration du niveau laser supérieur est caractérisée par une température très voisine de la température initiale ou de stagnation du gaz, tandis que l'énergie de vibrati@ du niveau laser inférieur est caractérisée par une température très voisine de la température aval du gaz, L'établissement de températures substantiellement différentes selon la présente invention produit une inversion de population. Les références et documents suivants qui sont cités ici décrivent certains des principes fondamentaux et physiques mis en jeu dans les dispositifs discutés et donnent un aperçu, dans une certaine mesure, de l'application de ces principes dans î1état actuel de la technique 1. "Infrared and Optical Masers," de A.L. Shawlow et C.H. Townes, dans Physical Review, Vol. 112, N 6, 15 Décembre 1958, pages 1940-1949. 2. "Attainment of Negative Temperatures by Heating and Cooling of a System," de N.G. tlasov et A.N. Oraevskii, Soviet Physics JETP, Vol. 17, N 5, Novembre 1963, pages 1171-1172. 3. "Population- Inversion in Adiabatic Expansion of a Gcs Mixture," de V.K. Konyukhov et A.M Prokhorov, JETP Letters, Vol. 3, N 11, 10 Juin 19658 pages 286-288. 4. "Electronic Population Inversions by Fluid-echanical Techniques" de I.R. Hurle et A. Hertzberg, The Physics of Fluids, Vol. 8, NO 9, Septembre 1965, pages 1601-1607. 5. Polanyi, J.C., J. Chem. Phys. 34347 (1961). 6. Polanyi, J.C., Applied optics, Supplement N02 sur les Lasers Chimiques, 109, (1965). C'est un objectif de la présente invention de fournir un appareil et une méthode de production d'une inversion de population pouvant être utilisés dans un oscillateur ou amplificateur à laser à gaz. C'est un autre objectif de cette invention de fournir un gaz chaud et de produire une inversion de population par dilatation du gaz jusqu'a des vitesses supersoniques. C'est un autre objectif de l'invention de fournir une inversion de population qui utilise les transitions entre des niveaux de vibration de l'état électronique fondamental et non entre des état s électroniques. Un autre objectif encore de cette invention est l'obtention d'une inversion de population pouvant servir dans un oscillateur ou amplificateur à laser pour permettre le fonctionnement CW à des niveaux de puissance qui n'étaient pas possibles jusqu'à présent. Un autre objectif encore de cette invention est de fournir une méthode et un appareil permettant d'obtenir un degré d'inversion de population supérieur à celui que l'on pouvait obtenir à l'aide des dispositifs de la technique antérieure utilisant un écoulement de gaz pour créer une inversion de population. les nouvelles particularités qui sont considérées comme caractéristiques de cette invention sont indiquées dans les revendications annexées; l'invention elle-meme, aussi bien quant à son organisation que quant à sa méthode de mise en oeuvre, ainsi que ses objectifs et avantages supplémentaires, sera cependant mieux comprise grâce à la description suivante d'un mode de réalisation spécifique, considérée conjointement aux dessins annexés, dans lesquels La Figure 1 est un diagramme partiel de niveaux d'énergie de vibration pour C02 et N2 (ou CO) représentant les processus intéressés de désactivation et de transfert d- vibration La Figure 2 est une courbe représentant les temps de désactivation et de transfert pour le système N2-C02 sous une pression de une atmosphère, en fonction de la température cinétique;; Les Figures 3a-d sont des courbes représentant les paramètres du gaz N2-C02 en fonction de la position dans une tuyère supersonique qui est représentée schématiquement sur la Figure 3a, avec "gel" différencié de vibration La Figure 4 est une courbe représentant les paramètres spécifiques en fonction du nombre de Mach de la tuyère pour un gaz en équilibre comprenant 89 % de N2/CO, 10 % de C021 1 % de H20, à une température de stagnation de 1600O K; La Figure 5 est une courbe représentant des quantités géométriques en fonction du nombre de Mach de la tuyère, où l'état du gaz est le même que pour la Figure 4;; La Figure 6 est une courbe représentant des paramètres en fonction du nombre de Mach pour le fonctionnement à la pression minimale de stagnation compatible avec le retour du diffuseur à la pression atmosphérique, la hauteur de l'étranglement étant telle que le produit de la hauteur de l'étranglement par la pression de stagnation est 20 mm.atm; La Figure 7 est une courbe représentant des paramètres spécifiques en fonction de la température de stagnation pour un rapport de températures, de part et d'autre dlune tuyère appropriée, de 0,24 pour un mélange gazeux identique à celui de la Figure (;; La Figure 8 est une courbe représentant les lignes de charge à différentes températures de stagnation et donnant la densité de production de puissance en fonction des pertes totales de cavité (gain = perte pour un système oscillant), le flux à l'intérieur de la cavité étant le rapport de la densité de puissance au gain en tout point des courbes1 le mélange de gaz étant Je même que pour la Figure 4; La Figure 9 est une représentation schématique, avec des parties arrachées, d'un amplificateur de puissance-oscillateur maitre comprenant un amplificateur selon cette invention; La Figure 10 est une représentation schématique, en coupe transversale, d'un dispositif mù par combustion selon cette invention; La Figure 11 est une vue perspective, avec des parties arrachées, d'un miroir métallique à trous de couplage;; La Figure 12 est une vue perspective, avec des parties arrachées, représentant les détails d'une tuyère à étranglement multi-fente; et La Figure 13 est une vue en coupe latérale suivant la ligne 13-13 de la Figure 12. On peut plus clairement comprendre le fonctionnement et la mise en oeuvre d'un mode de réalisation préféré de la présente invention basé sur le gel différencié d'énergie de vibratiaon, en considérant les Figures 1 z 3 et les discussions rapportées à ces figures. Les paramètres requis sont d'une part les paramètres de relaxation de vibration:: #NN pour la relaxation de vibration de l'azote par l'azote, t3 pour l'échange d'énergie de vibration entre l'azote et C02 (# 3), #e32C pour l'échange d'énergie de vi ration entre O 3 et #1, #2 pour les collisions avec C02, #e32N pour l'échange d'énergie de vibration entre #3 et #1, #2 pour les collisions avec N2,#2C,#2N pour la relaxation de vibration de CO2 (#2) pour les collisions avec CO2 et N2 respectivement; d'autre part les paramètres de gain du laser ::t (001 - 100) rayonnement durée de vie de transition par / pour la transition laser, et sections efficace d'élargissement optique par collision pour cette transition par C02 et N2.La Figure 1 représente un diagramme partiel des niveaux d'énergie pour les niveaux d'énergie de vibration de l'azote (N2) et du gaz carbonique (CO2), à titre d'exemple. Dans ce système, le CO2 est la molécule active du laser. N2 et l'oxyde de carbone (CO) qui sont tous deux en résonance étroite avec le niveau laser supérieur du C02 servent à allonger le temps effectif de désactivation ou de relaxation dc vibration du niveau laser supérieur et jouent également le rôle de réservoir de stockage pour l'énergie du laser. Dans le développement de cette invention, on a constaté expérimentalement que H2 et H20, qui sont aussi des produits de combustion commune, servent à réduire le temps de relaxation effectif du niveau laser inférieur et que du moins à des concentrations voisines de préférence d'environ 1%, iront un effet faible ou nul sur le temps de relaxation du niveau laser supérieur, Des concentrations atteignant environ 10 % peuvent etre utiles mais seulement pour des conditions opératoires spécifiques. Reportons-nous à titre d'exemple à la Figure 1 : C021 molécule triatomique linéaire, a trois modes de vibration indépendants1 un mode vibration de liaison symétrique désigné par sur la Figure 1, un mode flexion désigné par vi, et un mode vibration de liaison asymétrique désigné par W3. Un niveau d'énergie vibratoire donné de C02 est désigné par ( 01 #2 V3) où les entiers #1, W2 et #3 précisent le nombre de quanta excités dans chaque mode. L'action du laser CW a déjà été observée (voir Patol, C.K.N., Appui. Phys. Letters 7, 15 (1965) et Phys. Rev. Letters 13, 617 (1964)) dans des mélanges statiques de N2 ét C02 pour la transition (001)#(100), et l'action du laser à impulsions a ég-lement été observée pour les deux transitions (001)- #(100) et (001) (020). On peut s'attendre à ce que des dispositifs conformes à la présente invention opèrent sur la transition (001) # (100), bien que l'inversion de population existe pour les deux transitions, On peut calculer le gel/vibration dans une tuyère donnée et pour une température de stagnation donnée si on connaît les temps de relaxation de vibration, énumérés ci-dessus.La ddsactiva- tion de la vibration de l'azote par coilision avec l'azcte est importante en ce sens que ce processus doit etre plus lent que le transfert résonnant ou l'excitaion de vibration jusqu'à la molécule de laser actif (dans ce cas C02 ( w3)) pour que le fonctionnement du laser soit rentable. Cette condition fixe une limite inférieure à la concentration de C02 ou de son équivalent. L'énergie emmagasinée dans la vibration de l'azote est inutile au système laser si la désactivation de l'azote par collision directe est un processus plus rapide que le transfert résonnant à C02 ( V3). Au sein de C02 lui-même les processus importants sont la désactivation, par collision, de C02 ( tr3) qui contient le niveau laser supérieur, et de C02 ( #1) qui contient le niveau laser inférieur. La désactivation du niveau laser supérieur indiquée par #e32C pour les collisions avec C02 et par #e32N pour les collisions avec N2, se produit très probablement par échange d'énergie avec les autres modes (voir Herzfeld, K. F., Discussions of the Faraday Society 33, 22-27 (1962)), plut6t que par désacti vation directe. Du fait de la cotncidence énergétique étroite entre niveaux les niveaux #1 et les/ #2 intermédiaires, un échange rapide d'énergie intervient entre ces modes en forçant les populations relatives à s'équilibrer mutuellement. Ainsi, le processus limiteur de vitesse pour la perte d'énergie à partir de ces deux modes sera la désactivation, par collision,de C02 ('r2)I qui a l'énergie la plus faible. Les temps de désactivation pour ce processus sont indiqués par 2C et t2N pour les collisions avec C02 et N2 respec vivement. Si d'autres espèces, telles que H2 0 ou H2, sont présentes, alors il faut considérer leur effet ou la désactivation des modes en question. I1 faut noter que1 tandis que la perte d'énergie de vibration à partir d'un mode donné nécessite en général un très grand nombre de collisions cinétiques, la redistribution de l'énergie dans un même mode se produit avec relativement peu de collisions. Ainsi, les populations des différents niveaux d'énergie à l'intérieur d'un même mode tendent à une distribution de Boltzmann à l'équilibre, en un temps court par rapport au temps de de perte d'énergie/vibratzon à partir du mode.Le degré d'excitation d'un mode donné peut donc être caractérisé par une température de vibration Tv, qui peut en général être différente de la température qui caractérise l'énergie de translation et de rotation, et en fait être différente des températures de vibration qui caractérisent les populations d'autres modes de vibration. La connaissance de toutes les vitesses importantes de désac tivation et d'échange par vibration permet le calcul des populations tout au long d'une dilatation dans une tuyère. Pour lier les populations de vibration de C02 au gain ou à l'absorption dans une transition donnée, deux paramètres supplémentaires sont nécessaires. Ce sont la durée de vie de rayonnement pour la transition laser proposée et les sections efficaces d'élargissement par collision pour les collisions de l'état rayonnant de C02 avec C02 et les autres molécules présentes dans le système. Ces derniers paramètres sont nécessaires car, aux pressions considérées pour le fonctionnement, la largeur des raies est déterminée par les collisions et non par l'élargissement Doppler. Les meilleures estimations de tous ces paramètres vont maintenant être esquissées. Plusieurs des processus de relaxation de vibration qui sont importants pour le système en question ont été examinés expFrimen- talement dans le développement de cette invention. L'un des proces de sus importants, le transfert d'énergie/vibration entre N2 et CO2 (Irg)r a également été étudiés et sa sectioe efficace a été mesurée. Les paramètres utilisés dans le calcul du gel/vibration dans les tuyères supersoniques, en liaison avec les études susmentionnées, vont maintenant être résumés. Les temps de relaxation do vibration qui sont nécessaires pour les calculs du gel différencié du laser N2 -C 2 sont représentés en fonction de la température sur la Figure 2. Les temps de relaxation sont portés en unités atm/Ms. Le temps de relaxation réel est la quantité représentée sur la Figure 2, divisée par la pression partielle du partenaire de la collision en atmosphères. Le temps de relaxation do vibration pour les collisions azote-azote est le plus long de tous les temps de relaxation (voir Millikan, R, C. et White, D. R., J. Chem. Phys. i29 98 (1961)). La désactivation de l'état laser inférieur par collision est régie par la désactivation du mode flexion #2. C'sst une quantité qui a été mesurée maintes fois et qui est connue de façon précise, aussi bien pour les collisions C02 -C02 que pour les collisions C02 -N2. Plusieurs mesures contradictoires sont disponibles pour la désactivation du niveau laser supérieur par collision t pour son temps de relaxation on utilise la théorie de Schwartz, Slawsky et Herzfeld (SSH) (voir la référence Herzfeld citée ci-dessus). La théorie SSH s'est avérée en assez bon accord avec les données expérimentales dont on dispose pour la relaxation des autres modes. Puisque la théorie SSH prévoyait un temps de relaxation plus court que celui qui a été en fait mesuré pour ces autres ças, on pense que l'utilisation de la théorie SSH pour la relaxation du mode de constitue une estimation assez sûre. On a également mesuré, dans le développement de cette invention, les paramètres de gain du laser, la probabilité de transition pour la transition (001)#(100), et les sections efficaces d'élargissement optiques pour cette même transition. Les résultats sont résumés dans le Tableau I ci-dessous. TABLEAU I 1. probabilité de Transition Réciproque T = 4T7 Secondes, I 10% 2. Fréquence des Collisions d'Elargissement Optique = = 7,8 x 109Sec-1,# 10 % Température 273 K, Pression 1 ATM Transformée en section efficace Elargissement Optique #o = 5,7 x 10 CM Sections Efficaces Cinétiques à partir de la Viscosité#k = 5,1 x 10-15CM2 -15 à partir de Van Der Waals k = 6,4 x 10 CM 3.Sections Efficaces d'Elargissement par Collisions - Autres Gaz #N2 #co #He = 0,88 = 0,98 =0,31 #CO2 #CO2 #CO2 Avec les paramètres énumérés dans le Tableau I, on peut lier directement les mesures de gain du laser aux densités d'inversion, et inversement on peut lier directement les calculs des densités d'inversion au gain prévu. On a également utilise les temps de relaxation qui sont représentés sur la Figure 2, dans les calculs détaillés du gel de vibration dans les tuyères supersoniques. Les résultats de l'un de ces calculs pour un cas spécifique sont donnés sur les Figures 3a-d. Comme indiqué sur la Figure 3a, on a dilaté un mélange chaud d'azote et de C02 dans une tuyère supersonique, jusqu'à Mach 4. On peut produire un gaz chaud en équilibre de différentes façons, y compris chauffage par transfert depuis une source de chaleur telle qu'un réacteur nucléaire, chauffage par onde de choc dans un tube à onde de choc, ou encore combustion directe, en produisant un mélange quelque peu différent de celui qui est représenté mais ayant essentiellement les mêmes propriétés. Sur la Figure 3b, est représentée la distribution énergie dans diverses parties du champ d'écoulement. énergie de translation et de rotation thermiques dans la région de stagnation est transformée en grande partie en énergie cinétique dirigée d'écoulement dans la région supersonique. énergie des degrés de liberté/de vibration, qui constitue à peu près 15 % de l'énergie totale dans la région de stagnation à l'équilibre, disparattrait pratiquement dans la région supersonique aval si elle restait en équilibre avec la translation et la rotation, comme indiqué par la courbe en pointillé sur la Figure 3b. Cependant, à cause du de vibration la fraction d'énergie de vibration reste importante en aval et constitue environ 10 % du total. C'est une partie de cette de énergie/ vibration de non-équilibre qui peut être rendue utilisable comme énergie de laser. La dimension de l'étranglement sonique constitue un paramètre important dans la déterminat.ion de la pression maximale de stagnation pour laquelle on peut obtenir d le ge p vibration du niveau laser supérieur et de la l'azote, puisque a vitesse de diminution de la température et de la pression lui est inversement proportionnelle. Pour les conditions représentées sur la Figure 3a7 l'étranglement était de forme rectangulaire, sa dimension la plus faible étant de un millimètre et sa dimension la plus grande étant arbitraire.On obtiendrait essentiellement la même fraction d'énergie de vibration en aval avec, par exemple, un étranglement de un centimètre et une pression de stagnation de 2 atmosphères, pour-la même température de stagnation et pour le meme rapport des surfaces de la tuyère. de La Figure 3c montre comment l'énergie/vibration se répartit de entre les différents degrés de liberte/vibraticn La température en degrés Kelvin qui caractérise les populations des divers de modevibration sont portées en fonction de la position dans 12 tuyère. Comme on peut le voir sur la Figure 3c, les températures qui caractérisent les populatiodnes/vibration de de C02 (#3) et de l'azote sont essentiellement égales à cause du fort couplage de vibration et stabaissent très peu dans la tuyère, restant voisines de 1400Q en aval de la tuyère.Aux faibles température et pression qui règnent en aval (par comparaison avec l'amont de la tuyère), la longueur de relaxation caractéristique de ces modes combinés est est de l'ordre du mètre et oWobserve donc presque pas de dégra- dation de ces modes sur l'échelle de longueur du graphe. Ila température de translation et de rotation s'abaisse rapidement à une valeur faible dans la tuyère. La température de vibration qui caractérise les populations des modes #1 et #2 de CO2 s'abaisse rapidement, dans la tuyère, à une faible valeur quelque peu supérieure à la température du gaz, tend, visiblement vers l'équilibre de température avec le gaz sur l'échelle de longueur du graphe. Si le rapport de Tv (#3) à Tv (#1) dépasse le rapport des de énergies/vibration,carctéristiquesdes des deux modes, alors une inversion totale de population est possible. Les fractions de population des niveaux laser supérieur et inférieur sont portées sur la Figure 3d. I1 faut noter que, comme le montre la Figure 3d, dans la région de stagnation la population du niveau inférieur (100) dépasse la population du niveau (001) caractéristique d'un état d'équilibre. En aval cependant, à mesure que les températures de vibration se séparent suffisamment la population de C02(100) de s abaisse au-dessous de celle/C02(001) et l'inversion de population St est produite.En faisant usage des paramètres de gain du laser qui sont résumés sur le Tableau I, on peut interpréter cette inversion de population en gain de laser. La connaissance du gain, ainsi que les calculs supplémentaires que l'on exécute en utilisant les vitesses de relaxationde vibration données sur la Figure 2, permet une évaluation théorique des performances des systèmes selon cette invention. Les caractéristiques de laser pour un dispositif fonctionnant dans les conditions de gaz qui sont données sur la Figure 3, sont énumérées dans le Tableau Il. TABLEAU II Paramètres du Laser Dynamique à Gaz Po = 20 ATM, To = 1600 k, 5 % CO2, 95 % N2/CO Coefficient de Gain Puissance Zéro G = 2 x 10~-5,0 x 10~CM Flux Total de Puissance du 2 Gaz dans l'Ecoulement FG = 24KW/CM2 Flux de Puissance du Laser 2 dans l'Ecoulement FL = 0,5KW/CM Rendement Thermique du Laser #L = FL/FG = 2,1 % Densité de Puissance du 3 Laser Saturé PL = 20 - 70 W/CM3 Distance d'Interaction LL = FL/PL = 25 - 7 CM Flux Estimé de Cavité du Laser #PL/G # 20 KW/CM2 Consommation Spécifique de Combustible et d'Oxydant #27,2 kg/MEGAJOULE Consommation Spécifique de Combustible (C2 N2) 4,5 kg/MEGAJOULE Pour plusieurs des paramètres du Tableau II une gamme de valeurs est donnée. Ceci prend en compte le fait que les performances expérimentales du laser dynamique à gaz sont en fait plus idéales que celles qui sont indiquées par les détails calculés. Dans le cas où deux nombres sont présents, le premier représente les résultats des calculs détaillés et le second est calculé en se basant sur le fait expérimental apparent que l'état supérieur gèle à une température comprise entre les températures de stagnation et d'étranglement et que l'état inférieur reste en complet équilibre avec les températures de gaz. On pense que le coefficient de gain puissance zéro G s'explique de lui-même, la première valeur étant celle calculée d'après les populatXons représentées sur la Figure 3d, et la seconde valseur étant celle calculée en utilisant les hypothèses idéales qui cadrent le mieux avec les expériences. Le flux total de puissance du gaz dans l'écoulement est tout simplement l'énergie totale emmagasinée par unité de volume dans la région supersonique aval de la tuyère, multipliée par la vitesse d'écoulement. L'énergie totale comprend celle de vibration, de rotation, de translation statistique et d'écoulement dirigé. Le flux de puissance du laser est le flux d'énergie utilisable du laser franchissant l'unité de surface perpendiculairement à la direction d'écoulement.La densité utilisable d'énergie du laser est l'énergie do vibnation emmagasinée par unité de volume dans l'azote, dans CO si du CO est présent, et dans C02 (2 3), diminuée de l'énergie restant dans ces modes lorsque la température de vibration qui caractérise ces modes est ramenée à un point où le gain du laser est exactement égal à zéro, le tout multiplié par le rapport de l'énergie des photonsdu laser et de l'énergie caractéristique de C02 (p3). Cette densité d'énergie, mesurée en unités joules/cm et multipliée par la vitesse d'écoulement en cm/sec, fournit le flux de puissance du laser en watts-parcant.ibtre carré de surface d'écoulement aval. Le rendement thermique est tout simplement le rapport de ces deux flux et représente le rendement du système à laser pour la transformation de l'énergie thermique dans la région de stagnation1 sn énergie de laser dans la section utile. La densité de puissance du laser saturé est la densité de puissance du laser qui correspond alune vitesse de transition entre C02 (001) et C02(100) qui abaisse la température de vibration de C02 (Q3) ) et élève la température de C02 (2 1) à un point où le gain est exactement égal à zéro. Ceci est la vitesse maximale à laquelle l'énergie utilisable du laser peut être extraite du gaz. Le rapport du flux de puissance du laser Ft à la densité saturée de puissance du laser PL est ainsi la longueur minimale, dans la direction de l'écoulement, sur laquelle la totalité de l'énergie utilisable du laser peut être extraite par action du laser. Dans chaque cas on obtient le premier nombre par le calcul détaillé et on le détermine largement par la vitesse à laquelle l'énergie peut être extraite de l'état inférieur. Le second nombre suppose que seule la vitesse de transfert de N2 à C02( 3) limite la densité de puissance. Le flux estimé de cavité du laser donne une indication de l'intensité circulant à l'intérieur de la cavité qui est nécessaire pour extraire la puissance du laser à la vitesse maximale. Ce flux n'est pas un nombre fixe et dépend des détails d'absorption de la cavité et des pertes de couplage. Le nombre qui est présenté ici correspond à peu près au fonctionnearent en un point où les pertes totales de la cavité représentent la moitié du gain total, en assurant un fonctionnement raisonnablement rentable. I1 donne une indication des problèmes de chauffage des miroirs auxquels il faut faire face avec ce dispositif. Les paramètres du laser dynamique à gaz qui sont donnés cidessus donnent une indication des débits massiques nécessaires pour un niveau de puissance particulier. Le premier d'entre eux est tout simplement le poids total de N2/CO et de C02 qui doit traverser le dispositif pour donner une énergie de sortie de un mégajoule. Ainsi, un laser de un mégawatt aurait dans les conditions de cet exemple une masse totale d'à peu près 15 kg/sec. Si on brdle du cyanogène (C2N2) avec de l'air, comprimé directement à partir de l'atmosphère, pour produire le mélange voulu, la consommation spécifique de combustible est le poids de cyanogène brillé pour produire une énergie de sortie de un mégajoule. On a procédé à d'autres calculs basés sur des hypothèses idéales car on a besoin d'informations supplémentaires sur les sections efficaces fondamentales avant de pousser plus loin les calculs détaillés. Les expériences en tunnel à onde de choc ont cependant montré que les valeurs idéales peuvent être produites expérimentalement. Par conséquent, on a procédé à plusieurs variations de paramètres sous les hypothèses suivantes. On supposait que le gaz était en équilibre complet jusqu l'étranglement de la tuyère.Au-delà de ce point, on supposait que les degrés de liberté de vibration de N2/CO et de C02 (23) étaient gelés à la température de ltétranglement. On supposait que tous les autres degrés de liberté de vibration étaient au équilibre à la température du gaz. Le mélange gazeux utilisé dans le calcul présenté ici correspond à un ensemble, aa équilibre possible, de produits de combustion du cyanogène (C2N2) et de l'air avec une petite quantité d'hydrogène ajouté. Les conditions de stagnation supposées pour les Figures 4, 5, et 6 sont un mélange de 89 % de N2/CO, lo % de C02, et 1 % de H2O à une température de stagnation de 16000K. La Figure 4 représente la variation des propriétés spécifiques du laser en fonction du nombre de Mach gelé, le nombre de Mach étant basé sur une vitesse du son calculéeen utilisant le # effectif (C / Cv) basé uniquement sur les degrés de liberté à l'équilibre. La pression de stagnation est incluse dans les unités des quantités portées en coordonaêes. #/#o est le rapport du rendement thermique réel pour le nombre de chocs indiqué, à celui que l'on obtiendrait si l'état inférieur était complètement supprimé du système (M = #). Pour cet état du gaz#o est à peu près de 3,6 %. PL est la densité de puissance du laser1 limitée uniquement par le transfert de l'azote à C02 (#3), et est portée sur la courbe on watts/cm3atm2.Ainsi, la densité de puissance augmente en même temps que le carré de la pression de stagnation puisque la vitesse de transfert d'énergie met en jeu le produit des densités de C02 et de N2/CO excité. FL, flux de puissance du laser, n'est proportionnel qu'à la première puissance de la pression puisqu'il ne met en jeu que la densité d'énergie emmagasinée. Le gain est bien entendu indépendant de la pression de stagnation puisque le fonctionnement se fait bien dans la limité élargie par collision La courbe la plus intéressante est celle qui représente le flux de cavité de saturation# L, lequel varie d'un facteur de 103 dans la gamme des nombres de Mach qui est représentée, et est également proportionnel au carré de la pression de stagnation.Puisque ce flux détermine la vitesse de transfert de chaleur aux fenetres et aux miroirs, qui s'est avérée constituer un problème important1 le choix du nombre de Mach opératoire est fortement influencé par les considérations de transfert de chaleur par rayonnement. D'autres facteurs qui influencent la conception sont représentés sur la Figure 5. L'examen de la Figure 5 montre que la distance d'interaction est inversement proportionnelle à la pression de stagnation Le rapport des surfaces du tunnel est le rapport de la hauteur du canal laser à la hauteur de ltétranglemente La courbe finale, représentant le rapport normal des pressions de stagnation de chocs est importante dans la détermination de la pression opératoire minimale de stagnation pour les systèmes dont l'échappement se fait sur une contrepression précisée.Dans un diffuseur la perte de pression de stagnation est proportionnelle à la perte normale de pression de stagnation de choc pour le nombre de Mach opératoire Pour des diffuseurs à étranglement fixe la perte est essentiellement égale à la perte normale par choc , mais quand on utilise des diffuseurs à étranglement variable, cette perte peut être ramenée à la moitié environ de la perte normale par choc Ainsi, si le rapport normal des pressions de stagnation de choc est de 10, alors une pression minimale de stagnation de 10 atmosphères sera nécessaire à la marche d'une tuyère et au retour à une atmosphère dans un diffuseur à étranglement fixe.On peut s'attendre à ce qu'une pression de stagnation d1à peu près deux fois cette valeur soit nécessaire pour mettre en route la tuyère, Ainsi, pour un brûleur à pression opératoire maximale donnée, les considérations ci-dessus fixent le nombre de Mach maximal pour lequel on peut réaliser le retour à une atmosphère. La Figure 6 combine plusieurs des considérations que l'on vient de discuter. Sur la Figure 6 la pression de stagnation est supposée égale au rapport normal des pressions de stagnation de choc multiplié par une atmosphère. De plus, dans le calcul du "rapport d'aspect", qui est le rapport de la distance d'interaction à la hauteur du canal, le produit de la hauteur de l'étranglement par la pression de stagnation a été pris égal à 1 mm x 20 atmosphères, paramètres qui sont connus pour donner le gel différencié voulu dans les expériences en tunnel à ondes de choc. Des calculs supplémentaires sont présentés sur les Figures 7 et 8 dans lesquelles la température de stagnation varie à rapport de températures constant dans la tuyère. Le nombre de Mach ne varie que très légèrement dans la gamme de température. Pour le rapport de température (T/To) de 0,24 qui est utilisé dans ces calculs, les valeurs des quantités qui ne varient que très lentement avec la température sont données dans le Tableau III. Le mélange gazeux est le même que celui utilisé pour les Figures 4 et 6. TABLEAU III Temp. de J Nombre Stagnation Optimal de Mach des surraces presslons de MF ~~~~~~~~~~~ MF ~~~~~~~~~~~~~ stagnation 3000 25 4,228 16,47 10,7 2800 25 4,225 16,36 10,6 2600 23 4,222 16,23 10,6 2400 23 4,218 16,07 10,5 2200 21 4,212 15189 10,4 2000 21 4,206 15,67 10,2 1800 19 4,198 15 41 10,1 1600 17 4,188 15,09 9,9 1400 17 4,175 I4,69 9,6 1200 15 4,157 I4,20 9,3 1000 15 4,134 13,60 9,0 La valeur optimale de J est la valeur du nombre de quantum de rotation de l'état supérieur pour laquelle le gain est maximal, Le nombre de Mach qui est présenté est lo nombre de Mach gelé tel qu'il est défini ci-dessus.Le rapport des surfaces est le rapport de la surface aval du tunnel à la surface d'étranglement, requis pour obtenir un rapport de température de 0,24, Le rapport des pressions de stagnation donne la perte de pression de stagnation dans un tunnel normal à ondes de choc et est important pour fixer la pression minimale de stagnation pour des systèmes dont l'échappement se fait sous pression atmosphèrique comme discuté plus haut, La Figure 7 représente des quantités de laser en fonction de la température de stagnation To, Les quantités sont définies de la même manière que cellles de la Figure 4,sauf que le rendement thermique qui est ici porté en ordonnées est le rendement thermique réel et non un rapport de rendement comme précédemment. La Figure 8 représente des lignes de charge pour le laser dynamique à gaz à plusieurs températures de stagnation pour un rapport de température (T/To) de 0,24 comme sur la Figure 7, Les points terminaux des lignes de charge sontha densité de puissance du laser à saturation pour G = o et le petit gain de signal à PL = oX La ligne de charge donne la densité de production de puissance en fonction du gain déterminé par la condition gain = perte du résonateur. La fraction de la perte totale qui représente le couplage de sortie donne la fraction de la densité de production de puissance qui représente la sortie utilisable. Le flux à 11 intérieur de la cavité en tout point des courbes est donné par le rapport de la densité de puissance au gain en ce point.Ces courbes sont importantes pour déterminer les vitesses optimales de chauffage des miroirs et de couplage pour un dispositif donné. Les calculs précédents, bien que théoriques, indiquent une grande souplesse opératoire pour le laser dynamique à gaz et permettent d'adapter les conditions sur mesure aux exigences d'une situation particulière. Un agencement d'amplificateur de puiesanceuoscillateus martre comportant un amplificateur selon cette invention, désigné par le repère ll,utile pour les systèmes de communications, les systèmes radar, etc, est représenté sur la Figure 9. Un tel agencement est particulièrement utile car la commande de mode, la stabilisation et la modulation de fréquence, etc, peuvent s'effectuer dans l'oscillateur externe ou pré-amplificateur 12 lorsque les techniques conventionnelles sont applicables et que la puissance qui circule est faible, du moins par comparaison avec celle que l'on peut atteindre dans l'amplificateur 11. En gros, à cause du flux élevé de saturation dans ltamplificateur 11 qui existerait pour les fortes puissances de sortie, une configuration très repliée est recommandée, en combinaison avec un signal d'entrée modérément élevé venant de 1'oscillateur ou préamplificateur 12. Le pré-amplificateur 12 peut comprendre par exemple un de faible puissance oscillateur cenventionnel/à N2/C02 , excité électriquement,et un amplificateur intermédiaire (non représenté), si nécessaire, pour donner à l'amplificateur 11 l'excitation nécessaire Ainsi, comme le montre la Figure 9, un agencement d'amplificateur de puissance-oscillateur mattre peut comprendre un laser conventionnel à N2/C02 t électriquement excité, 12 et un amplificateur de puissance, selon cette invention Pour faciliter la discussion, on suppose que l'amplificateur 11 possède les paramètres et le gaz opérationnels qui sont représentés et décrits selon la Figure 3a.Par conséquent, 11 amplificateur Il peut comprendre une région chauffante 13, telle une chambre de combustion, pour chauffer un mélange gazeux comprenant par exemple 89 moles pour cent de N2/CO, 10 moles pour cent de C021 et une mole pour cent de H20, à une température et une pression fournissant une partie substantielle de 11 énergie totale du mélange gazeux au moins dans le niveau laser supérieur du gaz polyatomique. Une telle partie substantielle, comme le comprendra l'homme de l'art, représente environ I à 5 % de l'énergie totale du mélange gazeux, Pour le gaz ci-dessus on a constaté qu'une température et une pression appropriées étaient respectivement de 16000 K et dtenviron 20 atmosphères. Le mélange gazeux est de préférence dépourvu d'impuretés, dans la mesure du possible.Bien que cette liste ne soit pas exhaustive, d'autres gaz polyatomiques qui peuvent être appropriés, c: le gaz carbonique sont le bioxyde d'azote, le gaz sulfureux, l'oxyde nitreux, l'eau et le bisulfure de carbone. Des gaz auxiliaires appropriés, en plus de l'azote, qui peuvent être appropriés sont l'oxyde de carbone, lloxygène,ltoxyde nitrique, la vapeur d'eau, l'hélium, ltammoniac et le méthane.La tuyère supersonique 14 reçoit le mélange gazeux chauffé et le dilate jusqu'à des vitesse supersoniques pour donne par exemple, dans la chambre de travail 15 en aval de la tuyère 14, une vitesse d'environ Mach 4, une température d'environ 4000 K et une pression d'environ 0,1 atmosphère, Un trajet de rayon lumineux pour le signal d'entrée 16 venant du pré-amplificateur 12 est défini par des fenêtres transparentes 17 et 18. Par conséquent, lorsqu'un signal d'entrée 16 venant du pré-amplificateur 12 est fourni à la chambre 15 via la fenêtre 17, ce signal émerge de la fenêtre 18 sous la forme d'un signal de sortie amplifié 19 Pour les applications à haute puissance, c'est-à-dire lorsque le flux lumineux optique est de l'ordre d'environ 1 KW/CH ou plus, les fenêtres pleines conventionnelles peuvent ne pas s'avérer satisfaisantes et il peut être nécessaire d'avoir recours à des techniques de pompage différencié ou autres pour remplacer les fenêtres pleines. En outre, on peut obtenir une configuration repliée en faisant entrer le signal optique d'entrez dans la chambre en un point donné, en le faisant se réfléchir plusieurs fois dans la chambre, par exemple à l'aide de miroirs correctement orientés, eten lefaisantsortir de la chambre en un point éloigné du point où il avait pénétré dans la chambre Comme indiqué plus haut, le gaz qui se trouve dans l'amplificateur 11 est refroidi par dilatation à des vitesses supersoniques Ceci a une importance particulière car une telle dilatation est intrinsèquement un processus volumique qui peut s'effectuer dans une chambre de dimension quelconque et à toute densité compatible avec les temps de relaxation d - vibration intéressés De plus, puisque le principe de mise en oeuvre de cette invention est basé sur des transitions entre les niveaux vi!::-ration de l'état électronique fondamental qui sont appréciablement peuplés aux températures raisonsbles de stagnation que l'on peut atteindre, par combustion par exemple, et que la relaxation différenciée qui entrasse l'inversion dans la chambre 15 de l'amplificateur 11 est régie par les collisions et constitue donc un processus volumique, il n'existe pratiquement pas de limite fondamentale à la taille (et donc à la puissance de sortie) de l'amplificateur 11 . par contre1 ltobtention d'une inversion comme résultat direct d'une réaction chimique, comme proposé par exemple par Polanyi, aboutit à une population de non-équilibre produite directement dans la réaction chimique La taille d'un dispositif destiné à ltobtention dlune inversion entre des états électroniques par relaxation rayonnante différenciée, comme proposé par Hurle et Hertzberg, qui soit dit en passant n'a pas donné de résultat satisfaisant , est en tous cas limitée à cause du piégeage par rayonnement. En outre, les températures de stagnation requises pour qu'une fraction appréciable de l'énergie se trouve au niveau électronique voulu à l'équilibre dans de tels dispositifs, sont très élevées, On a essayé avec succès des cispositifs mus par combustion, selon la présente inventions et ils donnaient aussi bien une amplification qu'une action de laser.Une représentation schématique d'un tel dispositif est donnée à titre d'exemple sur la Figure 10. On a procédé aux essais ci-dessus avec des combustibles spécifiques et ils ont montré, entre autres choses, que les produits de combustion du cyanogène (C2N2) se comportent, du moins en substance, de façon identique aurmélangesN2-C02 purs discutés ci-dessus . On a également obtenu une action de laser en utilisant les produits de combustion d'un hydrocarbure, le toluène, D'autres combustibles possibles sont l'oxyde de carbone, le carbone, le méthane, l'éthane, le benzène, etc. Cependant, dans l'utilisation du toluène, il est apparu que le Poh critique est inférieur à celui obtenu avec le cyanogène, et que l'action de laser n1 était observCequtà pression réduite. Ceci est très probablement le résultat des grandes concentrations d'eau faisant partie du gaz, Bien que l'eau ait un effet favorable à petites concentrations (de préférence sensiblement inférieur à environ 10 moles pour cent), comme déjà indiqué, on a constaté que de grandes quantités provoquent une désactivation trop rapide du niveau laser supérieur. Ainsi, en comparaison de l'utilisation du cyanogène lorsqu'on utilise des combustibres comme le toluène, une pression plus basse ou un plus petit étranglement de tuyère est nécessaire pour réduire le nombre de collisions cinétiques qui se produisent au cours de la dilatation. On a également intérêt à empêcher des concentrations excessives d'eau, bien entendu, Considérons maintenant la Figure 10 : il y est représenté un dispositif mû par combustion comprenant un brûleur 31 qui peut etre alimenté par un combustiblo approprié tel que le cyanogène, par le tuyau 32, et par un mélange d'oxygène, d'azote et d'hydrogène par le tuyau 33, Les gaz sont mélangés et le combustible est brtlO dans le brûleur 31 pour y donner un mélange gazeux en équilibre sensiblement complet constitué par exemple d'environ 89 mules pour cent de N2/CO, d'environ 10 moles pour cent de C021 et d'une mole pour cent de H20 à une température de stagnation environ 16000K et sous une pression d'environ 15 atmosphères. Le mélange gazeux en équilibre s'échappe du bradeur 31 par la tuyère supersonique 34 et est introduit dans la chambre 35 qui est disposée en aval de la tuyère 34, La tuyère supersonique accélère le mélange gazeux pour donner dans la chambre 35 une vitesse d'environ Mach 4, une pression d'environ 0,1 atmosphère , et une température d'environ 3000 - 5000 C, et de ce fait, il se produit dans la chambre 35 l'inversion de population qui a été déjà décrite La chambre 35 peut être légèrement divergente dans la direction de l'écoulement pour assurer des vitesses, une pression et des températures de gaz substantiellement constantes, Après avoir traversé la chambre 35, le mélange de gaz est introduit dans un diffuseur 36 et, pour un système à cycle ouvert, se dégage ensuite dans 1 t atmosphère Des moyens conventionnels 37 et 38 sont également prévus pour régler l'alimentation de la chambre de combustion en combustible et/ou en milieu support de combustion pour que la combustion du combustible dans la chambre de combustion fournisse le gaz polyatomique et Le ou les gaz auxi1iires, à la température et à la pression requises. Si le dispositif doit servir d'amplificateur, il suffit de prévoir dans la chambre 35 des fenêtres, disposées face à face et transparentes à la longueur dtonde voulue, par exemple, longueur d'onde de 10,6 microns. Si le dispositif doit servir de générateur ou d'oscillateur, alors il faut bien entendu substituer aux fenêtres un miroir totalement réflecteur 39 et un miroir partiellement réflecteur (voir Figure 11). A cause notamment de l'important flux thermique qui frappe les miroirs, les miroirs conventionnels comme les miroirs en wIrtranZ revêtus de diélectrique et les miroirs de sel se sont avZrOs insatisfaisants, alors que les miroirs de cuivre avec trous de couplage ont fonctionné de façon satisfaisante Le brûleur, la tuyère, la chambre, le diffuseur, et les miroirs et autres doivent bien entendu être refroidis à cause des flux thermiques auxquels ils sont nécessairement exposés.On peut employer des techniques conventionnelles de refroidissement pour maintenir les divers composants à des températures de fonctionnement sures, Outre les flux thermiques habituels que l'on rencontre dans les dispositifs aérodynamiques mus par combustion, de ce type, le flux thermique sur les miroirs qui est db à l'action du laser impose une charge thermique supplémentaire sur les miroirs. Ce flux thermique de laser peut être réglé à un niveau assez bas par l'homme du métier, par exemple en faisant circuler de l'azote froid sur les miroirs pour porter ce flux à un niveau comparable au chauffage habituel que l'on rencontre dans de tels dispositifs. Par conséquent, les moyens conventionnels de refroidissement n'ont pas été représentés pour plus de clarté et une discussion de ces moyens ntest pas jugée nécessaire. Les pertes des miroirs sont de deux sortes - pertes géométriques et pertes intrinsèques. Les pertes géométriques dépendent principalement de la rugosité de surface , laquelle est déterminée principalement par les techniques de préparation. D'autre part, si la longueur d'onde du rayonnement qui frappe la surface d'un miroir est supérieure à la longueur d'onde qui correspond à l'état de la surface, alors la.réflexion totale dépend des propriétés réflectrices du matériau, c'est-à-dire de la seule perte totale; ce que l'on appelle "perte intrinsèque " est la perte due à l'absorption. Par suite de ltutilisation soigneuse de techniques de polissage optique, on pense que les valeurs d'absorption mesurées étaient des valeurs intrinsèques et n'étaient pas dûes à l'effet géométrique mentionné cidessus. Les valeurs mesurées susmentionnées indiquaient que à mesure que la pureté d'un métal de miroir satisfaisant, tel par exemple le cuivre, l'or, l'argent et autres, augmente, llabsorption diminue .Par conséquent, le métal de miroir est de préférence aussi pur que possible et extra-doux. Dans le cas du cuivre, une pureté de 99,999 % et un recuit destiné à 1.endre extra-doux sont recommandés. Un miroir métallique de cuivre à trous de couplage est représenté sur la Figure 11. Le miroir 50 peut être formé de cuivre extra-doux pur à 99,999 %, monté de façon fixe dans un support de montage 51. La surface active 52 est polie optiquement de façon que la longueur d'onde du rayonnement qui la frappe soit supérieure à la longueur d'onde qui correspond à l'état de la surface. Des trous 53 sont prévus dans la surface active 52 et traversent le miroir pour assurer le couplage hors de la chambre 35. La surface totale des trous est choisie de façon à donner le pourcentage de transmission nécessaire. Les trous 53 qui sont représentés sur la Figure 11 sont disposés et conçus pour former un réseau équilatéral. Les passages 54 qui délimitent les trous 53 ne se prolongent de préférence que sur une courte distance dans le miroir et communiquent avec des passages axialement alignés 55 ayant un diamètre plus grand. Un tel agencement facilite la formation des trous 53 et réduit les réflexions dans le miroir lui-même. Le miroir totalement réflecteur, à l'exception de la forme de sa surface active et de l'absence de trous, est identique an miroir partiellement transmetteur. Le miroir partiellement transmetteur est de préférence sensiblement plat du point de vue optique, alors que le miroir totalement réflecteur est doté d'une forme de surface active très favorable à la réflexion maximale entre les miroirs. A titre d'exemple, les mesures prises sur un miroir de cuivre utilisé avec succès pour l'extraction de 40 watts sont données ci-dessous dans le Tableau IV TABLEAU IV Pré-Test Post-Test Sphéricité- rayon 950 mm - 0,3 ondes à 10,6/i Idem Piques diamètre 5,u5 0,01 % de Idem plus piqûres la surface de laser 8 % de la surface dans la zone le plus dense. Notre total~ 10 Eraflures Taches Néant Néant Inclusions - 0,01 % de Ne surface Idem Grain- 1 cm de diamètre Idem "Peau d'Orange - Faible Idem Absorptance - 0,8 % 0,8 % Réflectance diffuse - 0,7 % 0t7 % Réflectance spéculaire 98,5 % 98,5 % et sous petit angle Les piqûres qui sont apparues au cours de l'essai étaient peut être dues à un grand nomR de particules frappant la surface quelques fois chacune ou à un petit nombre de particules emprisonnées dans l'ouverture de la fenêtre et ayant tourbilloné contre le miroir plusieurs fois. La densité des piqûres variait sur la surface de façon telle quelles formaient un dessin de forme analogue à celui donné par un essai de Foucault, au tranchant de couteau, d'un miroir de télescope ayant un défaut "en aile d'oiseau". En plus des piqûres, on observait des particules adhérant à la surface. La densité et la distribution numérique de ces particules étaient à peu près les mêmes que pour les piqûres résultant; de l'essai. La taille moyenne des particules était estimée à 2 . On a constaté dix taches ayant d@s 3 diamètres d'environ 0,05 rtun, qui étaient réparties autour du miroir, les plus graves étant au centre, et on a trouvé une petite particule sur la surface au centre de la plupart de ces taches.Les taches, lorsqu'on les observait en lumière blanche, avaient l'aspect du modèle d'interférence coloré qui apparaîtrait sidu carbone s'évaporait d'une source ponctuelle au niveau ou au-dessus de la particule et se condensait sur le miroir I1 est possible que ces particules aient été portées sur la surface du miroir avant ou pendant 1'action de laser et rient été portées à leur température d'évaporation par le rayon laser ; et qu'une partie du produit d'évaporation des particules ou de leue; produitsde décomposition se soit condensée sur la surface de miroir pour former les modèles d'interférence signalés. Puisqu'on utilisait dans le brûleur du C2N2 gazeux* il est possible que des particules de carbone soient responsables des taches.Par conséquent, il faut de préférence éviter les impuretés, les particules étrangères telles celles qui peuvent résulter de l'érosion ou autres, et la production de carbone ou autres dans le gaz qui s'écoule devant les miroirs. I1 faut noter cependant que l'absorptance et la réflectance du miroir à 10,6,une variaient pas en dépit des dommages superficiels subis au cours de l'essai. Reporons-nous maintenant à la Figure 12 : il y est représenté, à titre d'exemple, une tuyère allongée multi--étranglements (trois étranglements dans ce@cas) comprenant un premier élément principal 61 qui définit en son centre la majeure partie de l'extrémité amont de la partie admission 62 de la tuyère, un second élément principal 63 qui délimite en partie en son centre l'extrémité aval de la partie afsmission 62 et les surfaces les plus extérieures 64 et 65 de la partie sortie 66 de la tuyère, et deux éléments ailettes 67 et 68 montés de façon amovible sur les premier et second éléments 61 et 63.Les éléments ailettes 67 et 68 définissent avec le second élément principal 63, comme le montre le mieux la Figure 13, trois tuyères à fentes allongées, une au-dessus de l'autre et ayant chacune une configuration telle que, pour les températures et les pressions qui règnent dans la chambre de combustion, elles donnent chacune dans la tuyère une durée d'écoulement qui est brève en comparaison du temps de relaxation effectif du niveau laser supérieur du gaz, et qui est longue en comparaison du temps de relaxation effectif du niveau laser inférieur du gaz qui s'y écoule. Une telle durée d'écoulement appropriée correspond à environ Mach 4. Considérant maintenant le premier élément principal 61, on voit qu'il est doté de surfaces 71 et 72, généralement convergentes dans la direction d'écoulement, qui couplent la chambre de combustion ou source de chaleur (non représentée) à la tuyère et qui envoient le gaz chauffé aux divers étranglements de la tuyère. Un ensemble de gorges 73,disposAsface à face, sont prévues dans les surfaces susmentionnées pour recevoir des barres 74 de support des éléments ailettes. Les barres de support peuvent abouter avec le second élément principal 63, elles sont fixees rigidement, par exemple par des chevilles 75, à chacun des éléments ailettes, et elles sont conçues pour sladapter étroitement aux gorges susmentionnées 73 pour empêcher pratiquement tout mouvement des éléments ailettes et donc toute variation de la position et des dimensions de la tuyère. L'extrémité amont du second élément principal 63 est dotée de surfaces 76 et 77 disposées face à face et généralement conver- gentes dans la direction de l'écoulement gazeux. Les surfaces 76 et 77 forment des prolongements des surfaces 71 et 72 dans le premier élément principal 61. Les surfaces 76 et 77, en combinaison avec les surfaces les plus extérieures 78 et 79 de l'extrémité amont des éléments ailettes respectifs 67 et 68, définissent la partie amont des étranglements les plus extérieurs de la tuyère. La partie restante ou interne de l'extrémité amont de chaque élément ailette définit bien entendu l'extrémité amont de 1'étran- glement interne ou intermédiaire de la tuyère. Les parties 81 et 82 des éléments ailettes, en aval des étranglements de la tuyère, sont dotées d'un profil qui, en combinaison avec les surfaces 64 et 65 du second élément principal, définit la partie aval 66 de la tuyère pour les raisons exposées ci-dessus. Les extrémités de chaque élément ailette sont dotées de blocs terminaux 83 qui sont montés de façon amovible dans des gorges 84 disposées face à face dans les parties latérales du second élément principal. Le mouvement des éléments ailettes, parallèlement et normalement à la direction d'écoulement gazeux, est empêché non seulement par les barres de support 74 mais aussi par les blocs terminaux 83 montés dans les gorges 84. Toutefois, un ieu doit être prévu entre la surface la plus extérieure des blocs terminaux et le second élément principal pour permettre la dilatation des éléments ailettes dans leur direction longitudinale. Les divers composant qui forment la tuyère peuvent être tP--formés de cuivre pour permettre le transfert de chaleur mais leurs surfaces qui sont exposées à l'écoulement gazeux sont de préférence dotées d'une mince couche lisse d'un métal très réflecteur ou hautement poli comme l'or, l'argent, le chrome ou autres. Des passages 85 destinés à recevoir un agent réfrigérant sont prévus dans les premier et second éléments principaux, dans les barres de support et dans les éléments ailettes pou;r maintenir ces composants à des températures adéquates pour maintenir leur intégrité et pour empêcher une érosion excessive des surfaces exposées à l'écoulement gazeux. Pour monter les éléments ailettes dans le second élément principal, il s'est avéré avantageux de fixer aux tuyaux d'agent réfrigérant externe. des joints d'étanchéité 86 du type piston comportant chacun deux bagues toriques espacées l'une de l'autre et disposées de façon à toucher le second élément et les éléments ailettes. Ainsi, chaque élément ailette peut être disposé dans les gorges 84 et les joints 86 du type piston peuvent être amenés et maintenus en contact avec les évidements de chaque élément ailettedons des passages pratiqués dans le second élément principal. Cet agencement empêche la fuite d'agent réfrigérant , ce qui, dans le cas de l'eau, est très important, permet la dilatation des éléments ailettes et facilite la dépose ou le remplacement des éléments ailettes. On pense que les diverses particularités et avantages de cette invention sont évidents d'après la description précédente. Divers autres particularités et avantages qui ne sont/spécifiquement énumérés se présenteront indubitablement à l'homme de l'art, ainsi que de nombreuses variantes et modifications du mode de réalisation préféré qui est représenté, toutes variantes et modifications qui peuvent être réalisées sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l'invention tels qu'ils sont définis par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1.- Une méthode obtention d'une inversion de population dans une chambre, caractérisée par le chauffage d'un gaz polyatomique de façon à obtenir une oY ation de vibration à l'équilibre dans ledit gaz, ledit gaz polyatomique comportant un niveau laser supérieur, un niveau laser inférieur et un état fondamental, ledit niveau laser supérieur ayant un temps de relaxation effectif qui est long en comparaison du temps de relaxation effectif du niveau laser inférieur; par la dilatation dudit gaz chauffé dans une tuyère et jusque dans ladite chambre pour obtenir dans ladite tuyère une durée d'écoulement qui est brève en comparaison du temps de relaxation effectif dudit niveau laser supérieur et qui est longue en comparaison du temps de relaxation effectif dudut niveau laser inférieur; et par l'échappe- ment dudit gaz de ladite chambre. Méthode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit gaz se dilate jusqu'à des vitesses supersoniques dans ladite chambre. 3.- Méthode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit gaz est chauffé jusqu'à une première pression et jusqu une première température en amont de l'étranglement de ladite tuyère et est dilaté jusqu 'à une vitesse supersonique en aval de l'étranglement de ladite tuyère de façon à donner dans ladite chambre une seconde pression et une seconde température qui sont l'une et l'autre faibles en regard de ladite première pression et de ladite première température, l'énergie de vibration dudit niveau laser supérieur étant caractérisée par une température très voisine de ladite première température et l'énergie de vibration dudit niveau laser inférieur étant caractérisée par une température très voisine de ladite seconde température. 4.- Méthode selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'on chauffe en mélange avec ledit gaz polyatomique,un premier gaz auxiliaire, ledit gaz auxiliaire ayant au moins un niveau d'énergie qui possède un temps de relaxation prédéterminé permettant d'accroître le rapport du temps de relaxation dudit niveau laser supérieur au temps de relaxation dudit niveau laser inférieur par rapport au rapport qui existerait dans ledit gaz polyatomique en lui-même, 5.- Méthode selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'on chauffe,en mélange avec ledit gaz polyatomique, un premier gaz moléculaire auxiliaire ayant un niveau d'énergie de vibration au moins sensiblement résonant avec ledit niveau laser supérieur dudit gaz polyatomique, ledit niveau d'énergie ayant un temps de relaxation de vibration au moins supérieur au temps de relaxation dudit niveau laser supérieur et xi permet d'accrottre le temps de relaxation effectif dudit niveau laser supérieur. 6.- Méthode selon la revendication 5, caractérisée par le fait que ledit gaz polyatomique est le gaz carbonique et que ledit premier gaz auxiliaire est l'azote, lesdits gaz carbonique et azote constituant ledit mélange et ledit mélange comprenant environ 5 à 10 moles pour cent de gaz carbonique et environ 85 à 95 moles pour cent azote, 7.- Méthode selon la revendication 5 ou 6, caractérisée par le fait qu'on chauffe avec ledit gaz polyatomique et ledit premier gaz moléculaire auxiliaire un second gaz auxiliaire ayant un niveau d'énergie de vibration au moins sensiblement résonant avec ledit niveau laser inférieur dudit gaz polyatomique, ledit niveau d'énergie ayant un temps de relaxation de vibration au moins inférieur au temps de relaxation dudit niveau laser inférieur et qui permet de réduire le temps de relaxation effectif dudit niveau laser inférieur, Méthode selon la revendication 7, caractérisée par le fait que ledit mélange gazeux contient environ 0,1 à 2 moles pour cent dc second gaz auxiliaire, 9.- Méthode selon la revendication 8, caractérisée par le fait que ledit second gaz auxiliaire est la vapeur d'eau, 10.- Méthode selon la revendication 7, 8 ou 9, caractérisée par le fait mulon brûle un carburant combustible en présence d'oxygène pour obtenir le mélange gazeux d'un gaz polyatomique, d'un premier gaz moléculaire auxiliaire et d'un second gaz auxiliaire. 11,- Méthode selon la revendication 10, caractérisée par le fait que ledit carburant est le cyanogène 12.- Méthode selon la revendication 11, caractérisée par le fait que ladite vitesse supersonique est d'environ Mach 4. 13.- Méthode selon la revendication 5, caractérisée par le fait que ledit gaz polyatomique est le gaz carbonique, le bioxyde d'azote, le gaz sulfureux, l'oxyde nitreux, la vapeur d1eau DU le bisulfure de carbone1 et que ledit gaz auxiliaire est ltazotel l'oxyde de carbone, l'oxygène, bioxyde nitrique, la vapeur d'eau, l'hélium, l'ammoniac ou le méthane. 14.- Méthode selon la revendication 10, caractérisée par le fait que ledit carburant est le cyanogène, le toluène, bioxyde de carbone, le carbone, le méthane, l'éthane ou le benzène. 15.- Appareil permettant de mettre en oeuvre la méthode d'obtention d'une inversion de population dans une chambre, selon la revendication 1, caractérisé par un amplificateur optique comportant ladite chambre, à l'intérieur de laquelle se trouvent une ouverture d'admission destinée à recevoir le gaz polyatomique et une ouverture de sortie destinée à laisser échapper ce gaz polyatomique, un moyen destiné à porter le gaz à une première température sous uneEremière pression pour qu'une partie substantielle de l'énergie totale dudit gaz seatrouve dans au moins ledit niveau laser supérieur, ladite tuyère étant disposée entre ledit moyen chauffant et ladite chambre pour recevoir dudit moyen chauffant le gaz porté auxdites premièreS température et pression et pour dilater ledit gaz et l'introduire dans ladite chambre à des vitesses supersoniques, de sorte què.l1on obtienne en aval de ladite tuyère, une seconde température et une seconde pression de gaz qui sont faibles en comparaison respectivement de la première température et de la première pression de gaz dans ledit moyen chauffant pour provoquer une inversion de population dans ladite chambre,et un moyen définissant un trajet de rayon lumineux dans le gaz qui se trouve dans ladite chambre. 16 - Appareil selon la revendication 15, caractérisé par le fait que ledit moyen destiné à chauffer le gaz comprend une chambre de combustion comportant une sortie pour les produits de combustion qui est couplée à ladite tuyère, et un moyen destiné à introduire un carburant et un milieu support de combustion dans ladite chambre de combustion en un point éloigné de ladite sortie pour permettre leur combustion dans ladite chambre de combustion. 17.- Appareil selon la revendication 16, caractérisé par le fait que le moyen chauffant comprend un moyen permettant de régler l'alimentation de ladite chambre de combustion par ledit carburant et ledit milieu support de combustion de telle sort que la combustion dudit carburant dans la dite chambre de combustion fournisse ledit gaz polyatomique et au moins un gaz auxiliaire auxdites premièrestempératurë et pression