Brevet FR2105189A1 — publié le 19720428

la présente invention concerne un laser dans lequel un mélange de gaz hélium et de vapeur de sélénium est disposé dans une cavité pour stimuler l'émission d'une radiation cohérente à plusieurs fréquences dans les régions infrarouge 5 et visible du spectre, lorsqu'une décharge se produit dans le mélange. On a reconnu antérieurement que ce sont des éléments qui se présentent naturellement sous forme solide ou liquide, comme la plupart des métaux, que l'on utilisera le plus proba-10 blement dans de nouveaux lasers à ions. On doit recourir à de nouveaux lasers à ions parce que les lasers à ions de gaz. « nobles ne permettent pas d'opérer à suffisamment de fréquences différentes pour couvrir toute la partie visible du spectre comme il est souhaitable de le faire à des fins de spectrosco-. 15 pie ou de communications. Les lasers à ions de gaz nobles ont d'ailleurs un rendement relativement faible et sont coûteux. On a utilisé aussi certains éléments solides,autres que ceux que l'on connaît ordinairement sous le nom de métaux, dans des lasers à ions, puisés, à des pressions de vapeur très 20 basses. Par exemple, des lasers à ions de sélénium, d'arsenic et de brome, excités en décharges annulaires puisées à fréquence radioélectrique, sont décrits dans l'article de W.E. Bell et autres, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.1, page 400 (1965).Ces lasers fonctionnaient en l'espèce à une 25 pression optimale de gaz tampon constitué par du néon, de l'ordre de 13,33 Pa. Ils ne pouvaient produire plus de quelques oscillations de laser, et alors seulemen"1", par un fonctionnement par impulsions. Il n'était pas possible de les faire f-r.ctionner de manière continue. 30 Le problème devant lequel on se trouve, consistant à obtenir une série de lignes de laser se trouvant à la fois dans les régions de la lumière visible et de l'infrarouge avec un laser à ions gazeux, capables de fonctionner à la façon d'une onde continue, est résolu suivant les principes de l'invention, 35 par un laser dans lequel une région active est montée pour recevoir de la vapeur de sélénium à une tempéralure comprise >r,o°C et 300°C et de l'hélium, en mélange avec de la va- COPV ( 71 2166S 2 2105189 peur de sélénium, à une pression supérieure à environ 266,6 Pa. Sur les dessins s - La figure 1 est une vue en partie en perspective et en partie schématique représentant une première forme de réali-5 sation de l'invention, qui utilise un écoulement d'hélium transversal ; - la figure 2 est une vue en partie en perspective et en partie schématique d'une seconde forme de réalisation de l'invention, utilisant un tube de laser scellé ? 10 - la figure 3 est une courbe montrant la relation entre la puissance relative et le courant de décharge pour le laser de la figure 1 ; - les figures 4 et 5 représentent des variations typiques de la puissance du laser pour des pressions de l'hélium 15 et des températures de la branche latérale de la forme de réalisation de la figure 2 ; et - la. figure 6 montre des variations typiques du gain du laser , de l'intensité de la lumière latérale et de la puissance, en fonction du courant de décharge, pour une forme de réa- 20 lisation modifiée de la figure 1. Dans les formes de réalisation données à titre d'exemples, qui fonctionnent suivant les principes de l'invention, un laser à ions de sélénium utilisant un courant relativement peu intense et un tube à décharge à pompage d'ions par cata-25 phorèse, engendre un spectre large de lignes de laser infrarouges et visibles,distribuées dans toutes les régions des radiations visibles et du proche infrarouge du spectre, allant de l'infrarouge au bleu, et qui oscillent de manière continue. Les oscillations sont obtenues avec un mélange de gaz hélium à 30 des pressions dépassant 133,3 Pa, et de vapeur de sélénium obtenues à partir de sélénium élémentaire solide, chauffé à une température comprise entre 200°C et 300°C. Dix-neuf parmi -7 -7 les transitions de 4605 . 10 mm à 6444 • 10 mm dans la région visible oscillent simultanément dans un appareillage com-35 portant des réflecteurs à large bande. Des puissances de sortie qui varient de 3 à 5 milliwatts ont été mesurées dans la gamme spectrale de 4467 • 10^ mm à 12.600 . 10 ^ mm en utilisant 71 3166'; 3 2105189 différentes combinaisons de miroirs de laser. Une combinaison de miroirs a produit une puissance de sortie combinée de 250 milliwatts sur les six transitions du bleu au vert les plus fortes. 5 Pendant le fonctionnement, on s déterminé que l'on ob tenait la pression optimale de vapeur de sélénium à des températures du réservoir comprises entre environ 250°C et 280°C ; des pressions optimales d'hélium se situaient dans la gamme comprise entre 666 Pa et 1998 Pa et l'on a obtenu la puissance 10 totale maximale pour un courant de décharge de 400 - 500 milli-ampères. les transitions de l'infrarouge sont importantes pour les circuits optiques intégrés et pour les systèmes de communication optique à cause de leur compatibilité avec des disposi-15 tifs optiques créés précédemment. On remarquera qu'une grande variété de formes du tube du laser peuvent être utilisées sans qu'il en résulte des effets fâcheux sur les oscillations du laser. Par exemple, dans une forme de réalisation, on a provoqué un écoulement transversal 20 d'hélium à travers le tube, en deux endroits situés le long de l'axe du tube entre les fenêtres d'extrémités aux limites de la décharge active. Dans une autre forme de réalisation, on a fait fonctionner avec succès un tube complètement scellé. Dans une forme de réalisation donnée à titre d'exemple 25 de l'invention, on a observé un fonctionnement en laser en continu sur quarante-six transitions dans le spectre visible du sélénium à ionisation simple (Se II) dans une décharge d'hélium- J7 sélénium. Les longueurs d'ondes du laser allaient de 4467 . 10 mm à 12.600 . 10 mm avec jusqu'à dix-neuf transitions réali-30 sant simultanément l'effet de laser dans une cavité ayant des miroirs à large bande fortement réfléchissants. La variété des longueurs d'ondes des radiations produites dans l'infrarouge et dans presque tout le spectre visible, et le fonctionnement dans un tube à décharge à ions pompés par cataphorèse, 35 à courant relativement faible,font que ce laser est utile pour un grand nombre d'applications. Le fonctionnement en laser puisé sur deux des transitions 71 3166'i 4 2105189 observées ( 5097 . 10*"^ mm et 5227 . 10 ^ mm) a été signalé par Bell et ses collègues (comme cité plus haut) dans des conditions de fonctionnement à décharge très différentes. Dans le dispositif de Bell, la vapeur était excitée en décharges 5 annulaires puisées à fréquence radioélectrique en utilisant divers gaz nobles comme gaz tampons. La pression optimale des gaz tampons était de 13,33 Pa et le néon donnait la meilleure -1 puissance de sortie. La transition de 5227 . 10 mm du dispositif de Bell correspond à l'une des plus fortes transitions 10 dans le fonctionnement en continu du dispositif décrit ici, -7 tandis que la transition de 5097 .10 mm est l'une des plus faibles. Cette incohérence apparente indique clairement que l'on décrit ici un nouveau laser ayant un mode de fonctionnement nouveau et différent. 15 Dans la forme de réalisation de l'invention représentée à la figure 1, un tube à décharge 11 en quartz, à diamètre intérieur de 3 mm et d'une longueur de 50 cm, peut être le siège de courants de décharge d'une intensité atteignant 1 ampère, fournis entre l'anode 14 et la cathode 15 par la source de cou-20 rant continu 16. Le tube présente deux branches latérales 12 et 13 alignées avec les branches latérales de l'anode et de la cathode et situées au-delà des extrémités de la région calibrée 17 pour donner une meilleure commande de la pression de la vapeur pour les courants de décharge intenses. En l'espèce, du 25 gaz hélium provenant d'un réservoir 28 s'écoule à travers des passages d'entrée convenables des branches latérales contenant l'anode 14 et la cathode 15, respectivement, et ce gaz est évacué à travers les branches latérales alignées 12 et 13 par une pompe mécanique 20. Le courant transversal d'hélium aide 30 à entretenir la décharge et à protéger les fenêtres. Le courant de décharge fournit assez de chaleur pour maintenir la région 17 du passage calibré à une température plus élevée que celle des réservoirs 21 et 22, pour empêcher la condensation du sélénium dans le passage . 35 La vapeur de sélénium peut s'obtenir à partir de sélé nium élémentaire solide contenu dans les réservoirs 21 et 22 qui s'ouvrent dans le tube 17. Les réservoirs 21 et 22 sont d'une 71 3166 S 5 210519? profondeur de sensiblement 5 cm , ils sont en forme de ballons au fond et ils ont un diamètre de 3 mm à leur ouverture dans le passage du tube. Ils peuvent être placés à 4 cm des régions évasées du tube de quartz 11 et ils sont chauffés par des 5 bobines de résistance de chauffage 23 et 24 qui entourent les cylindres de verre creux 25 et 26 les écartant des réservoirs 21 et 22. On peut, si l'on veut, isoler extérieurement les bobines 23 et 24 (par des moyens non montrés) pour réduire la consommation totale de puissance. 10 La température des réservoirs 21 et 22,et par suite la pression de vapeur du sélénium, sont commandées par l'excitation fournie par la source de chauffage 27. L'excitation par la source 27 peut être réglée à la main ou automatiquement en réponse à un signal de réaction convenable à partir des réser-15 voirs 21 et 22. Des thermocouples attachés aux réservoirs peuvent fournir les signaux de réaction. Les pressions optimales partielles des deux gaz étaient d'environ 800 à 1066 Pa pour l'hélium et 0,666 Pa pour le sélénium. Néanmoins, on peut avoir des conditions à peu près opti-20 maies pour une gamme étendue de pressions de vapeur, comme décrit ci-après.On croit que toutes les transitions partent 2 2 de la configuration électronique excitée 4s 4p 5p dans le sélénium à ionisation simple (Se II). Cette configuration électronique est proche, du point de vue énergétique, de l'état 25 fondamental des ions hélium. C'est-à-dire que son énergie équilibre à peu près l'énergie de l'état fondamental des ions hélium. Dans une forme de réalisation, le réflecteur arrière 19 de la figure 1 était partiellement transmissif pour permettre 30 l'extraction d'une partie de la radiation de résonance pour la faire apparaître par le réseau 29 dans différents ordres de diffraction sur le panneau d'exposition 30. Dans le premier ordre de diffraction, et dans les ordres de diffraction plus élevés, la séparation entre les différentes couleurs peut être 35 distinguée par l'oeil. Comme les différentes couleurs ne sont pas séparées dans le faisceau d'ordre zéro,on faisait passer éventuellement ce faisceau vers un monochromateur ou un spectro- 71 2166S 6 2105189 mètre pour faire une mesure précise de la longueur d'onde. En outre, le. réflecteur antérieur était partiellement transmissif pour permettre l'extraction d'une autre fraction de la radiation de résonance. Par exemple ,cette radiation peut 5 être utilisée dans un appareil 31, tel qu'un appareil pour déterminer les propriétés spectroscopiques de Eaman d'un cristal pour la bande de fréquences couvertes par les lignes du laser. On peut vérifier la cohérence de la radiation extraite en inclinant ou en désaccordant légèrement l'un ou l'autre des 10 réflecteurs d'extrémité 18 et 19. Les régions évasées 81 du tube 11 ainsi que les branches latérales associées peuvent être en Pyrex et reliées au tube calibré de quartz 17 par des raccords progressifs. Les régions évasées peuvent avoir un diamètre intérieur de 2,5 cm, et les 15 régions proches des fenêtres d'extrémité peuvent avoir un diamètre intérieur de 1,27 cm. Dans le fonctionnement du nouveau laser à ions de sélénium, de la forme de réalisation de la figure 1, la pression de l'hélium était réglée pour être supérieure à 266,6 Pa et de 20 préférence de 666 à 1998 Pa. On a déterminé que la cataphorèse, c'est-à-dire le mouvement des ions positifs sous l'influence du champ continu ,avait un effet marqué sur le fonctionnement du laser représenté à la figure 1. L'intensité de la puissance de sortie ne diminue que marginalement lorsque le réservoir de 25 droite 22 n'est pas chauffé. Par conséquent, les ions de sélénium sont facilement distribués par cataphorèse le long du tube à partir du réservoir 21. Les ions de sélénium positifs sont dits pompés du réservoir 21 proche de l'anode, vers la cathode, par cataphorèse. Pour la brièveté des expressions, on dit que 30 le laser comporte un tube à décharge à pompage des ions par cataphorèse. Les vingt-quatre transitions de laser visibles obtenues dans le tube 11 de 50 cm sont portées les unes à la suite des autres au Tableau I ci-dessous. Toutes les longueurs d'ondes 35 ont été mesurées avec un spectromètre Spex de 3/4 de mètre et sont identifiées comme résultant de transitions connues dans le spectre du sélénium à ionisation simple .(Se II). 71 21665 7 2105189 La variation de la puissance du laser avec le courant —7 de la transition la plus forte à 5227 .10 mm est montrée à la figure 3 pour le tube à décharge d'une longueur de 50 cm et à passage calibré de 3 mm de la figure 1. La puissance 5 augmente approximativement linéairement avec le courant jusqu'au début d'une saturation à 400 mA. La puissance de crête se situe à 500 mA, puis tombe à un tiers du maximum pour un courant de 1 ampère.On a observé un courant de seuil de 40 mA pour la —7 transition de 5227 . 10 mm dans la décharge d'un mètre. 10 Le gain pour chaque transition est indiqué dans le Tableau I ci-dessous pour le tube à décharge 41 à passage calibré de 4 mm de la figure 2, pour un courant de 200 mA. Néanmoins, le gain par mètre était plus élevé pour la majorité des transitions dans le tube à passage calibré de 3 mm de la figure 15 1 que dans le tube de Pyrex de la figure 2. Le tube de quartz 17 de la figure 1 supporterait aussi de façon sûre des courants plus intenses que celui de la figure 2. Le gain maximal mesuré dans la forme de réalisation de la figure 2 était de 1# par _7 mètre à la transition de 5227 . 10 mm pour un courant de 500 20 mA. Les intensités relatives de toutes les lignes sont indiquées au Tableau I comme forte, modérée et faible, comme on l'a vu dans la forme de réalisation de la figure 2 à passage calibré de 4 mm et à longueur de décharge d'un mètre, à une 25 pression d'hélium de 1066 Pa et avec un courant de décharge de 200 mA. L TABLEAU I. LONGUEURS D'ONDES ET NIVEAUX ATTRIBUES *»4! Longueur d'onde 7 mesurée ( ^ 10 mm) (précision - 0,5 A ) Longueur d'onde Attribution de Intensité effective^ niveau relative ( .10 mm) Gain mesuré (°/a /mètre) LJ O O 4604 s 6 4648,6 4764,1 4840.6 4845.0 4976.1 4992,9 5068.7 4604,34 4648,44 4763.65 4840,63 4844,96 4975.66 4992,75 5068,65 5p 2D J 5s4P 5p 4P 5p 2D 5s4P 5s4P 5s4P 5p 4S 2 5p D 5p 4P 5p 4P 5s4P modéré faible faible faible modéré 5 2 4s4p4 2P^ fort 2 5s 4P 5s 4P fort fort 2,3 3,3 3,3 3,3 co K> „ 1 CD Ln GO vO Longueur d'onde^ mesurée ( .10" mm) Tableau I (Suite) - 2 Longueur d'onde Attribution de effective niveau ( .10" mm) Intensité relative Gain mesuré (^/mètre) Ch cr- \jm 5096.1 5141,9 5176,0 5227,6 5252,6 5253.2 5271.3 5305,5 5096,1 5142,14 5175,98 5227,51 5253,07 5253,63 5271,11 5305,35 5p 4D2 2 5p \ 2 5p ^ 2 5p 4D? 2 5P\ 2 5p \ 5p \ 2 43 ^ 2 5s 4P1 2 5s 4P2 2 2 5 s % 2 2 5s 4P1 2 4d 4P? 2 2 5s "P1 faible modéré fort fort modéré modéré faible fort 1.3 4.6 5.4 1.7 1,7 2,6 >x> »o o Ln 00 vO Longueur d'onde_7 mesurée ( . 10" mm) Tableau I (Suite) - 3 Longueur d'onde Attribution de effective niveau ( . 7 mm) Intensité relative Gain mesuré (tfo/mhtre) o o «Lrs 5522,8 5591,6 5697,9 5747,9 6056,3 6443,9 6490,1 6534,6 5522,42 5591,16 5697,88 5747,62 6055,96 6444,25 6490,48 6534,95 5p ^3 2 5p 4P 5p 4P 1 2 3 2 5p \ 2 5p \ 2 5p 2P2 5P\ 2 5p \ 2 5p 2P-, 5s 4Pç 2 4s4p4 2P^ 2 5s 2P 5s 4P 5s 4P 7 7 5s 2P modéré faible faible faible modéré modéré modéré faible 1,3 K> mmmJk O Ln go vO a douteux 71 21665 2105129 Dans la forme de réalisation de l'invention représentée à la figure 2, la forme du tube à décharge scellé est plus facile à adapter au pompage par cataphorèse des ions de sélénium que ce n'est le cas pour la forme de réalisation représentée à 5 la figure 1. Le tube 41 entièrement en Pyrex présente une région calibrée d'un diamètre intérieur de 4 mm5 d'une longueur de 1 mètre, et des régions évasées près des fenêtres d'extrémité , d'un diamètre intérieur de 12 mm. L'angle de Brewster des fe-10 nëtres d'extrémité en quartz était choisi pour une longueur d'onde d'environ 442 nanomètres dans le bleu, bien que ces fenêtres présentent aussi une très faible perte pour les lignes de longueurs d'ondes plus grandes, même les lignes rouges. Un réservoir de sélénium 51, écarté d'environ 2 cm mesu-15 rés le long du tube à décharge, de la branche latérale contenant l'anode 44, est disposé et chauffé comme montré dans la forme de réalisation de la figure 1, Une distribution régulière de vapeur de sélénium dans le passage calibré est maintenue par le pompage d'ions par cataphorèse dans la décharge à courant 20 continu. D'autre part, la chaleur provenant de la décharge empêche à nouveau la condensation de sélénium dans le passage calibré 47. On peut régler à la main ou automatiquement l'excitation de la source 57 de chauffage qui commande la température, pour commander la température du réservoir 51 à l'aide de la 25 bobine chauffante par résistance 53 placée autour d'un cylin- « dre de verre, comme montré dans la forme de réalisation représentée à la.figure 1. Une catnode séparée de dégazage 50 dans une branche latérale séparée remplace la cathode principale 45 pour produire la 30 décharge pendant le dégazage et préserver ainsi la cathode principale de la dégradation.Une pompe à vide poussé 82 est accouplée par l'intermédiaire d'une valve au tube 41 pour y faire le vide. Ensuite, on remplit le tube d'hélium sous une pression de 1066 Pa, l'hélium venant du réservoir 58. Ensuite, 35 on ferme le robinet d'arrêt. Le laser de la figure 2 fonctionne donc avec un tube à décharge fermé. Dans ces conditions, on a obtenu une puissance totale de 30 milliwatts en quantités à peu 71 31665 12 2105189 -7 -7 près égales ,des transitions à 4976> .10 mm ; 4993 .10 mm ; 5069 . 10"^mm ; 5176 . 10"^ mm ; 5227 • 10~^mm et 5305 . 10"^mm (bleu -vert à jaune-vert) en utilisant un miroir de sortie 48 à transmission de 2$-31° sur cette gamme de longueurs d'ondes . 5 Le miroir 48 n'avait pas été optimalisé pour ces transitions et l'on pense qu'on aurait pu obtenir des puissances plus fortes avec un degré de couplage de sortie convenable. On a observé _7 aussi une puissance de 1,2 mW à 4605 . 10 mm et de 0,3 mW _7 à 4649 . 10 mm avec un miroir de sortie 48 comme représenté 10 à la figure 2 présentant une transmission de 0,7$ pour ces longueurs d'ondes. On a constaté une certaine compétition parmi certaines de ces lignes,et par conséquent un sélecteur à prisme (non montré) dans le résonateur laser peut être nécessaire pour obtenir la puissance maximale à chaque transition. 15 Dans une application pratique,on peut utiliser un réseau de . transmission tournant 60 lorsque beaucoup de lignes oscillent pour choisir une ligne en vue âe la transmission du rayonnement à un appareil d'utilisation 61. En particulier, on utilise facilement le réseau 60 pour provoquer l'oscillation à une lon-20 gueur d'onde choisie de l'infrarouge. Les figures 4 et 5 montent la variation de la puissance du laser avec la pression de l'hélium et avec la température de la branche latérale dans le tube à décharge de 4 mm de la figure 2, pour un courant de 200 mA.L!émission consistait en 25 six lignes mentionnées précédemment en utilisant le miroir de sortie 48 à transmission de 2$-3$.La variation avec la pression de l'hélium ,comme indiqué à la figure 4, à une température de la branche latérale, de 265°0, présente un maximum relativement large pour la région de 798 à 1333 Pa.Le seuil de 30 pression inférieur est à 266,6 Pa et on a observé l'effet de laser à des pressions allant jusqu'à 2932 Pa. Le tube à passage calibré de 3 mm a manifesté une variation de pression semblable avec un optimum à 798,8 Pa. La variation avec la température de la branche latérale 35 est montrée à la figure 5 pour une pression d'hélium de 1066 Pa. La demi-largeur de la courbe se présente sur une gamme de températures d'environ 30°C dont le maximum est à 265°C. On a estimé 71 31665 13 2105181 que cette dernière température répondait à une pression de vapeur d'environ 0,665 Pa en permettant une température augmentée nécessaire pour compenser les effets de la cataphorèse dans la région du passage calibré.La région voisine où se produit 5 l'effet de laser se distingue par une décharge relativement blanche. Cette décharge contraste avec la décharge rosée associée à l'hélium pur du côté basse température et avec la décharge bleue du sélénium du côté haute température. Les niveaux de laser supérieurs qui comprennent les 10 treize niveaux 5p pour ces transitions proviennent tous de la 2 2 configuration électronique 4s 4p 5p dans le spectre du sélénium à ionisation simple (Se II). Tous ces niveaux se trouvent proches de l'état fondamental de l'ion d'hélium. Trois niveaux seulement se situent au-dessus (dans une étendue de 0,2 eY) avec 15 un écart d'énergie maximale de-^ kT.Cette correspondance d'énergie très étroite en même temps que la dépense linéaire du courant et la pression élevée d'hélium pour une puissance de sortie maximale indiquent la possibilité que les niveaux soient excités par collisions avec échange de charges entre les ions 20 d'hélium et les atomes de sélénium de l'état fondamental neutre. On croit que les décharges dans chaque cas ont pour effet d'ioniser une partie importante de l'hélium, estimée être d'environ 0,01$ ou davantage des atomes d'hélium. Si l'excitation des niveaux devait être due aux collisions d'électrons, la 25 pression optimale de l'hélium serait beaucoup plus faible et donnerait une température électronique plus élevée pour correspondre aux conditions indiquées par Bell et autres. Egalement, l'effet de laser ne s'est pas présenté dans des mélanges semblables de Ar-Se. Cette observation coïncide avec le fait qu'il 30 n'y a pas de coïncidence d'énergie entre les niveaux d'ions d'argon et les niveaux d'ions de sélénium 5p. On croit que la vapeur de sélénium existe sous forme de molécules de Seg» Se^, Seg , bien que les concentrations relatives des diverses formes ne soient pas exactement connues. 35 L'énergie de dissociation de Seg est de 3,55 eV et, par conséquent, le processus de dissociation est dû probablement à la collision de molécules de Se avec des électrons et/ou des ions 71 31665 2105189 et/ou des formes métastables d'hélium. Ainsi, il est possible aussi que les molécules soient dissociées et laissées dans un état ionique excité. Néanmoins, les électrons seraient la seule forme d'énergie suffisante pour le faire et la puissance de 5 sortie optimale du laser se présenterait alors à une pression beaucoup plus faible de l'hélium. En raison de cette dernière considération, l'ionisation par transfert de charges des atomes de sélénium unique peut jouer le rôle principal. Dans une variante de la forme de réalisation de la fi-10 gure 1, un tube de quartz d'une longueur de 2 mètres, 11, a été utilisé pour obtenir les vingt-deux transitions nouvelles dans le sélénium à ionisation simple. Le tube à décharge modifié avait une cathode et une anode montées centralement à chaque bout. On a utilisé des réflecteurs à bande large, à ré-15 flectivité améliorée pour l'infrarouge. On a déterminé que les niveaux de courant optimaux étaient quelque peu inférieurs lorsqu'on arrêtait le courant d'hélium et qu'on scellait le tube. Les données du tableau II ont été observées dans un tu-2D be de 2 mètres de ce genre, à passage intérieur d'un diamètre de 3 millimètres. En plus, dans un tel tube, dans des conditions de décharge optimales, on a mesuré une puissance combinée de 250 milliwatts à 4976,1 . 10~7mm, 4992,9 • 10~7mm; 5068,7 . 10~7mm ; 5176,0 . 10"7 mm ; 5227,6 . 10"7mm et 5305,5 -7 25 .10 mm, en utilisant un miroir de sortie à coefficient de transmission moyen de 3$. Des puissances pouvant atteindre 50 -7 —7 milliwatts ont été mesurées à 5068,7 . 10 mm ; 5176.10 . mm et à 5227,6 . 10-7 mm. Le Tableau II qui va suivre est organisé de la même 30 manière que le Tableau I ci-dessus.On a compris dans le Tableau II les vingt-deux nouvelles transitions de laser obtenues. TABLEAU II. LONGUEURS D'ONDES ET NIVEAUX ATTRIBUES Longueur d'onde_7 mesurée ( .10 Longueur d1 onde -7_ Attribution de mm) effective (. 10 mm) niveau Intensité relative Gain mesuré ($/mètre) U> O o- 4468.0 4619.1 4718.5 4740.6 4765,1 5567 s1 5622,8 5842,8 5866.7 6066,1 4467,60 4618,77 4718,23 4740,97 4765,52 5566,93 5623,13 5842,68 5866,27 6065,83 5p 2Pi -» 5a 2P1 2 2 5p 4Pç 5s 4P2 2 2 5p 4S^ —> 3 2 2 4 2 5p P^ 4s 4p tfP3 2 2 5p 2P^ -* 5s 2P^ 2 2 5p 4D2 5s 4P2 2 2 5p 4P1 —* 5s 4P1 2 2 5p 2SI -» 5s 2P 2 2 5p 4P^ 5s 2P^ 2 2 5p 4P^ -» 5s 2P^ modéré faible faible faible modéré faible faible modéré modéré modéré 1,4 1,6 Al ,0 ■O". K> O Ln œ Tableau II Longueur à1 onde 7 Longueur à'onde mesurée ( . 10 mm) effective ( ,10" mm) 6102.1 6101,96 7064.2 7063,89 7392,4 7391,99 7674,9 7674,82 7723,6 7724,04 7796.2 7796,15 7839.3 7838,81 8308,9 8309,52 9249,3 9954,7 9955,15 (Suite) - 2 Attribution de Intensité Gains niveau relative mesuré ($/mètre) ^ 2 2 5p 5s P5 faible 4.1,0 ui 2 2 5p —► 5s 2P.j modéré 1,8 2 2 5p 4P^ —* 7 modéré 1,4 2 5p 2P3 —> 5s' 2D5 faible 1,0 2 2 2 5p 4P5 —» 5s' 2D5 modéré 1,1 C?v 5p 4D1 —» 5s 2P^ modéré 1,1 2 2 5p 2P1 —* 5s' 2D3 modéré 1,3 2 2 5p 4P1 —» 5s 2P3 modéré 1,9 2 2 5p 2I>3 —> 5s1 2I>3 modéré 1,9 O Ln faible ' vO 2 2 Tableau II (Suite) - 3 U> Longueur d'onde^ Longueur d'onde _7 Attribution de mesurée ( . 10~ mm) effective ( . 10 mm) niveau Intensité Gain q» relative mesuré ($/mètre) 10409,7 10408,81 5p 4D1 6 fort 2,8 12587,9 12586,78 5p ^ 10 fort 4,3 K> O Ln cx> 4 71 31665 18 2105189 Comme il n'a pas été observé que l'excitation excite de préférence les niveaux 5p qui se situent énergétiquement près de l'état fondamental de l'He+, on pense que le mélange de collisions entre électrons ou atomes d'hélium joue un rôle 5 important en distribuant parmi les niveaux 5p l'excitation à transfert de charges initiale. On suppose que les sections transversales pour ces collisions seront grandes parce que la séparation d'énergie moyenne parmi les niveaux est de^kl dans la décharge. 10 On a observé antérieurement une saturation de la puis sance du laser quand on augmentait le courant de décharge au-delà d'une valeur optimale. Pour obtenir plus d'information concernant ce comportement, on a mesuré la variation de gain, l'émission spontanée du niveau de laser supérieur (lumière 15 latérale) et la puissance du laser en fonction du courant dans le tube pour plusieurs transitions fortes. Ces données sont montrées à la. figure 6 par les courbes 81, 82 et 83, respective- —7 ment, pour la transition à 5227 . 10 mm. (Toutes les autres transitions examinées se comportaient de même). Tant le gain 20 que l'intensité du laser ont un maximum à environ 400 mA.L'émission de lumière latérale au contraire continue à augmenter avec le courant (jusqu'aux plus fortes valeurs de courant mesurées). Elle augmente plus vite que linéairement jusqu'à environ 75 mA, linéairement de 75mA à 300 mA et moins que liné-25 airemen"fc& des courants plus intenses. La variation rapide pour des courants faibles est attribuée à des effets de cataphorèse et à la dissociation des molécules de Se, due aux collisions. La variation linéaire pour des courants modérés est en accord avec l'excitation à transfert de charges des ions He. Pour des 30 courants plus intenses, la densité des charges positives doit encore augmenter linéairement mais les ions Se contribuent pour une fraction importante à la densité totale des ions, en réduisant ainsi le taux d'augmentation de He+ à une variation moins que linéaire. Egalement, la cataphorèse peut réduire la densi-35 té en Se pour des courants plus intenses puisque la vitesse de transport du sélénium augmente. Ces deux effets s'accordent avec les observations faites sur la variation de lumière laté- 71 31665 2105189 raie du niveau de laser supérieur. La saturation de l'intensité et du gain du laser ( qui commence approximativement à 150 mA) contrastant avec l'augmentation croissante de la lumière latérale, pouvait être expliquée 5 soit par une constitution rapide de la population de niveau inférieur, soit par une augmentation de la iargeur de bande du laser aux courants intenses. Une petite augmentation de la largeur du spectre de fréquences du laser ( 10$ - 15$) aux courants intenses a été mesurée, mais cette augmentation n'est pas 10 assez grande pour rendre compte de la différence entre le gain et les variations du niveau supérieur. Par conséquent, le phénomène doit être attribué à une grande augmentation de la population du niveau inférieur. Il y a au moins deux explications possibles pour cette 15 grande augmentation de la population des niveaux inférieurs pour les courants plus intenses. D'abord, ces niveaux peuvent être peuplés de manière importante par des collisions directes d'électrons. Dans ce cas, les populations varieraient n'importe où en passant du mode linéaire au mode quadratique avec les 20 variations du courant, suivant l'étendue relative du processus en une étape ou en deux étapes. Ceci se compare à la variation moins que linéaire mesurée des niveaux supérieurs du laser et rendrait compte de la diminution du gain. En second lieu, la longévité du rayonnement des niveaux de laser inférieurs pour-25 rait être augmentée par la captation du rayonnement. Les transitions de rayonnement à partir des niveaux de laser inférieurs se terminent toutes sur les niveaux d'état fondamental des ions sélénium, dont les populations augmentent lorsqu'on augmente le courant. Des estimations des densités d'état fondamental des 30 ions de sélénium et les taux de décroissance pour ces transitions indiquent que la captation à la résonance pourrait être un facteur important de la constitution des populations des niveaux de laser inférieurs. Cette augmentation de population serait plus que linéaire avec le courant et pourrait aussi 35 rendre compte de la diminution observée du gain pour des courants plus intenses. En outre, dans la forme de réalisation de l'invention »7 /I ; o - - j 20 2105139 donnée ici à titre d'exemple, on ne constate pas de bruit, comparativement au laser à l'hélium et au cadmium pour toutes les transitions au-dessus du seuil. On pense que le bruit faible est dû à une population assez stable d'ions hélium dans la décharge. Le laser à l'hélium et au sélénium ici décrit peut être un laser intéressant couvrant une importante portion du spectre du proche infrarouge et de la lumière visible. En outre, des puissances de l'ordre de 5 - 100 mW par ligne, sur presque toute l'étendue du spectre, doivent pouvoir être obtenues avec des tubes à décharge plus longs et un couplage de sortie optimisé. L'emploi de tubes à décharge He - Cd peu coûteux doit simplifier la construction et assurer un fonctionnement prolongé. Le fonctionnement est stable et peu bruyant dans un système d'ions pompés par cataphorèse. LEGENDE LES FIGURES On notera que l'unité de pression adoptée sur les dessins, le Torr, vaut 133,3 Pa. A la figure 1 , Ma signifie manomètre RP signifie raccord progressif . Les ordonnées de la figure 6 expriment en unités arbitraires le gain en $ / mètre, l'intensité de la lumière latérale et la puissance du laser. 71 31665 21 210 51S1 REVENDICATIONS 1.- Laser à ions de gaz comprenant un mélange de gaz hélium et de vapeur de sélénium, disposé dans une région active (17) d'une cavité pour stimuler l'émission de radiation cohé- 5 rente lorsqu'une décharge se produit dans ce mélange, caractérisé en ce que ladite région est montée pour recevoir la vapeur de sélénium à une température comprise entre environ 200°C et 300°C et l'hélium dans le mélange avec de la vapeur de sélénium à une pression supérieure à environ 266,6 Pa. 10 2.- Laser à ions de gaz suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité stimule l'émission de radiation cohérente dans une bande de fréquences de la lumière visible et du proche infrarouge, d'un bout à l'autre de laquelle le laser est capable d'émission stimulée. 15 3.- Laser à ions de gaz suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la décharge est une décharge ininterrompue de courant continu. 4.- Laser à ions de gaz suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la décharge 20 ionise effectivement une partie importante de l'hélium du mélange . 5.- Laser à ions de gaz suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que l'hélium est fourni à une pression comprise entre 666 et 1998 Pa dans 25 le mélange avec de la vapeur de sélénium. 6.- Laser à ions de gaz suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, et 5» caractérisé en ce que la vapeur de sélénium est fournie à une température de vapeur comprise entre 250°C et 280°C et en ce que l'hélium est fourni 30 dans le mélange avec du sélénium,à une pression partielle comprise entre 798 et 1066 Pa. 7.- Laser à ions de gaz suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3» 4, 5 et 6, caractérisé en ce que la vapeur de sélénium est fournie à une température de vapeur 35 comprise entre 250°C et 280°C, l'hélium étant fourni à une pression dépassant environ 266,6 Pa, avec une anode et une cathode couplées à une source de courant continu qui provoque 71 31665 22 2105189 une décharge entre elles, et avec un réservoir de sélénium élémentaire d'où, l'on obtient la vapeur de sélénium, ce réservoir étant placé plus près de l'anode que de la cathode. 8.- Laser à ions de gaz suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3» 4, 5, 6 et 7, caractérisé en ce que les ions sélénium sont pompés le long de la décharge, par cataphorèse.