Brevet FR2112130A1 — publié le 19720616

La présente invention a pour objet un procédé permettant d'obtenir une inversion de population dans une vapeur métallique, c'est-à-dire l'obtention d'un coefficient d'absorption optique négatif d'une vapeur métallique pour au moins une lumière de longueur d'onde déterminée. L'invention a également pour objet un laser métallique comportant application du procédé. L'excitation des atomes, ou molécules, d'une vapeur métallique est généralement obtenue par bombardement électronique ou par transfert de l'énergie d'excitation de molécules gazeuses excitées non métalliques (de l'hélium par exemple) sur les atomes métalliques. Cette énergie d'excitation peut être fournie par exemple par une décharge électrique entre deux électrodes plongeant dans la vapeur. L'inversion de population obtenue dans les vapeurs métalliques a été mise a profit pour réaliser des lasers métalliques, c'est-à-dire des lasers dont le milieu actif est constitué d'un gaz, ou vapeur, comprenant des éléments métalliques. Cependant, la teneur en éléments métalliques du gaz est généralement faible et, de ce fait, l'énergie du faisceau laser émis par ces lasers métalliques est en général relativement peu élevée. La présente invention propose un procédé et un dispositif correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils permettent d'obtenir une énergie laser élevée. A cette fin, l'invention propose un procédé d'obtention d'une inversion de population dans une vapeur métallique caractérisé en ce qu'il consiste successivement: - à dissoudre au moins un élément métallique dans un liquide contenu dans une enceinte et ayant la propriété d'ioniser les éléments métalliques de sorte que ledit élément soit dissocié en ions et en électrons, la conductivité électrique dudit liquide devenant du même ordre de grandeur que celle de l'état métallique, et - à évaporer rapidement ledit liquide contenant ledit élément dans ladite enceinte, laquelle est alors remplie de ladite vapeur métallique, la pression dans ladite enceinte étant choisie de façon à ce que ladite vapeur ne soit pas à l'état sur-critique, ladite inversion de population ayant lieu entre niveaux d'énergie dudit élément métallique au cours de la recombinaison desdits ions et desdits électrons. L'invention a également pour objet un laser métallique comportant deux miroirs, dont l'un au moins est semi-transparent, formant une cavité résonnante de Perot Fabry, une enveloppe contenant le milieu actif laser et placée entre les deux dits miroirs, ladite enveloppe étant transparente au moins aux deux endroits situés sur l'axe de ladite cavité résonnante, et des moyens pour-créer une inversion de population, ledit laser étant caractérisé en ce que ledit milieu est constitué d'au moins un élément métalli que dissous dans un liquide ayant la propriété d'ioniser les éléments métalliques, ledit élément étant alors sous forme d'ions et d'électrons et ledit liquide ne remplissant que partiellement l'enceinte délimitée par ladite enveloppe, et en ce que lesdits moyens pour créer une inversion de population sont des moyens de volatilisation rapide dudit liquide. Ledit élément métallique est choisi dans le groupe comprenant les alcalins, les alcalino-terreux et le magnésium, et ledit liquide est avantageusement de l'ammoniac ou l'un de ses dérivés. Suivant une première forme de réalisation de l'invention, la volatilisation du liquide est obtenue par la décharge électrique d'un condensateur dans le liquide. Suivant une deuxième forme de réalisation de l'invention, la volatilisation du liquide est obtenue en faisant agir des ondes hyperfréquences sur ledit liquide. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit dt deux modes de réalisation de l'invention donné: à titre d'exemples explicatifs et non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la figure 1 représente 1 elchéma d'un premier mode de réalisation d'un laser métallique conforme à l'invention et - la figure 2 représente schématiquement. une deuxième forme de réalisation. On sait que des métaux tels que les alcalins (sodium, potassium, lithium, etc...), les alcalino-terreux, ainsi que le magnésium, peuvent entre dissous dans des liquides tels que l'ammoniac liquide ou l'un de ses dérivés, la méthylamine par exemple. Le métal en solution est dissocié en ions et électrons. De ce fait, les liquides contenant un ou plusieurs métaux en solution sont très bons conducteurs de l'électricité et leur conductivité est voisine de celle de l'état métallique. La teneur de la solution en métal peut varier dans une large mesure. Ainsi à -700C, 100 grammes d'ammoniac liquide peuvent dissoudre par exemple 2 atomes-gramme de sodium ou 1,56 atome-gramme de lithium. Supposons maintenant que l'on enferme le liquide contenant un élément métallique en solution dans une enceinte et que l'on volatilise brusquement le liquide. L'enceinte va alors être remplie d'une vapeur contenant le solvant à l'état gazeux ainsi que les ions et les électrons de l'élément métallique. Deux cas peuvent alors se présenter suivant les conditions expérimentales. Dans un premier cas, la pression de vapeur à l'intérieur de l'enceinte est supérieure à une pression critique: le métal dissocié en ions et électrons reste alors en équilibre avec la vapeur (continuité entre l'état liquide et l'état gazeux au voisinage du point critique.Cet état ne permettant pas d'obtenir une inversion de population, on se place dans le deuxième cas tel que la pression de vapeur à l'intérieur de l'enceinte soit inférieure à la pression critique (vapeur sèche). Pour ce faire, il suffit simplement que la quantité de liquide évaporé ne soit pas trop importante et, dans ces conditions, la vapeur contient alors l'élément métallique ionisé sous forme d'ions et d'électrons hors d'équilibre. Les électrons et les ions métalliques vont se recombiner entre eux et, au cpurs de son retour à l'état fondamental, les électrons vont transiter par divers états excités. On obtient ainsi des atomes métalliques excités qui se désexcitent, soit par émission de radiations autorisées par les règles de sélection, soit par collisions. Pour des densités électroniques élevées, ce dernier processus de désexcitation joue un rôle prépondérant et donne lieu à des inversions de population entre différents niveaux d'énergie. Ainsi dans le cas du lithium, si la densité électronique est supérieure à 1015 électrons/cm3, l'inversion de population se produit entre les niveaux 3s et 2p de l'atome de lithium. I1 apparaît donc un milieu à coefficient d'absorption optique négatif lequel peut donner lieu à un effet laser. Cette façon de procéder pour former un plasma constitué d'électrons et d'ions métalliques est très avantageuse.D'une part, la densité électronique que l'on peut obtenir est de beaucoup supérieure à celle des plasmas formés par une méthode classique (décharge électrique entre deux électrodes par exemple) et, d'autre part, l'énergie nécessaire à la formation du plasma est plus faible puisque l'on dispose au départ d'un élément métallique déjà dissocié en ions et électrons. La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation avantageux d'un laser métallique conforme à l'invention. Deux miroirs plans 2 et 4 forment une cavité résonnante de Perot-Fabry. Le miroir 2 est à réflexion totale et le miroir 4 semi-transparent. Une cuve 6 de forme parallélépipèdique, réalisée en un matériau isolant électrique et comprenant deux faces en regard transparentes 8 et 10 et situées sur l'axe de la cavité résonnante, est insérée entre les deux miroirs 2 et 4. Un liquide 12 est contenu dans le fond de la cuve 6. Ce liquide est constitué d'au moins un élément métallique dissous dans un solvant, ce dernier ayant la propriété de dissoudre les métaux. C'est ainsi que le liquide peut être une solution saturée de lithium dans de l'ammoniac. La solution peut être avantageusement portée à une température de -630C à l'aide de moyens non représentés sur la figure 1 et, de ce fait, la pression à l'intérieur de la cuve 6 est relativement basse. Le remplissage de la cuve par le liquide est très faible, le centième de sa hauteur par exemple. Sur les parois internes des faces transparentes 8 et 10 sont disposées deux électrodes 14 et 16 en contact avec le liquide. Ces deux électrodes sont insérées dans un circuit électrique comprenant un condensateur 18, un thyratron 20 commandant la décharge du condensateur et une résistance 22 assurant le régime critique de la décharge électrique. Deux électrodes auxiliaires 24 et 26 sont disposées à l'intérieur de la cuve, l'une sur la paroi formant le fond de la cuve et l'autre sur la paroi formant la partie supérieure de la cuve.De la même façon que les électrodes 14 et 16, les électrodes auxiliaires 24 et 26 sont insérées dans un circuit électrique comprenant une résistance 28, un condensateur 30 et un thyratron 32. Une canalisation 34, réalisée en un matériau isolant électrique et munie d'une vanne 36, pénètre d'une façon étanche dans la cuve 6 par sa partie supérieure. Le fonctionnement du dispositif est le suivant: On commence tout d'abord par chasser l'air se trouvant dans la cuve 6 au-dessus du liquide 12. Pour ce faire, on peut soit ouvrir la vanne 36 et faire bouillir le liquide 12, fermer la vanne 36, puis refroidir le liquide 12; soit ouvrir la vanne 36, congeler le liquide 12, pomper le gaz se trouvant dans la cuve à l'aide d'une pompe raccordée à la canalisation 34 puis fermer la vanne 36. Lorsque l'on commande la décharge du condensateur 18 à l'aide du thyratron 20, il s'établit rapidement une différence de potentiel élevée entre les deux électrodes 14 et 16, ce qui a pour effet de volatiliser brusquement le liquide 12. La cuve 6 est alors remplie dtune vapeur composée du solvant à l'état gazeux et ainsi que de l'élément métallique à l'état d'ions et d'électrons. Au cours de la recombinaison de ces ions et de ces électrons, il se produit une inversion de population entre différents niveaux des atomes métalliques et, de ce fait, une émission stimulée peut prendre naissance à l'intérieur de la cavité résonnante. On observe à la sortie du dispositif un faisceau laser 38. Le fonctionnement du laser est alors du type impulsionnel. Comme il l'a déjà été mentionné, il est nécessaire pour obtenir un coefficient d'absorption négatif de la vapeur que cette dernière ne soit pas dans un état sur-critique, ce qui signifie que la pression à l'intérieur de la cuve doit être inférieure à la pression surcritique. Pour ce faire, on dispose de deux paramètres.On peut tout d'abord choisir un volume de liquide 12 suffisamment petit par rapport au volume total de la cuve 6 de sorte que, lorsque le liquide est évaporé, la pression à l'intérieur de la cuve soit inférieure à la pression critique. On peut également choisir la température du liquide de façon telle que la pression de vapeur du liquide soit relativement faible (à titre d'exemple, la pression de vapeur ae l'ammoniac est de 1 atmosphère à -330C et 3,25 atmosphères à OOC). De plus, il peut être intéressant d'augmenter-l-'énergie d'excitation des atomes métalliques dans la vapeur, ce qui peut être facilement réalisé à l'aide de la décharge du condensateur 30 entre les deux électrodes auxiliaires 24 et 26. A titre d'exemple, la cuve 6 peut être réalisée entièrement en quartz et les électrodes 14, 16, 24 et 26 en acier inoxydable. La cuve peut être un prisme droit à base 2 carrée de hauteur égale à 10 cm, de section interne I cm et l'épaisseur des parois peut être de 5 mm. La hauteur des électrodes 14 et 16 peut être de 5 mm. On peut choisir pour le condensateur 18 une capacité de 2 micro-Farads chargée à 20 kV et pour la résistance 22 une valeur de quelques Ohms: la décharge du condensateur -s'effectue alors en quelques microsecondes et la vapeur produite par la volatilisation quasi-instantanée du mélange liquide se -4 détend dans la cuve 6 en moins de 2.10- seconde.Pour une solution saturée de lithium dans l'ammoniac et portée à une température de -630C Sur la figure 2 qui représente un deuxième mode de réalisation avantageux d'un laser métallique conforme à l'invention, on retrouve comme éléments communs au premier mode de réalisation décrit précédemment les deux miroirs 2 et 4, le liquide 12 et la canalisation 34 munie de la vanne 36. L'enveloppe contenant le liquide 12 a la forme d'un cylindre 40 fermé à ses deux extrémités par deux disques transparents 42 et 44. Le cylindre et les deux disques sont réalisés en un matériau isolant électrique. Sur le pourtour de chaque disque et à l'intérieur du cylindre 40 sont disposées deux électrodes 46 et 48 en formede-eouronne. Ces électrodes sont insérées dans un circuit électrique comprenant un condensateur 18, un thyratron 20 et une résistance 22.Le cylindre 40 est maintenu horizontalement de façon à ce que la surface du liquide 12 soit sensiblement parallèle à une génératrice du cylindre, ce qui assure un contact entre les deux électrodes 46 et 48 et le liquide 12. Un circuit fermé 50 assure la circulation du liquide 12 à l'extérieur du cylindre 40. Ce circuit est constitué principalement d'une vanne 52, d'une pompe 54 mettant le liquide en mouvement et des moyens de réfrigération du liquide. Ces moyens sont constitués d'un serpentin 56 plongeant dans une cuve 58 contenant un mélange réfrigérant 60 tel qu'un mélange acétone- carboglace. Comme pour le premier exemple-de réalisation décrit, on chasse au préalable l'air se trouvant dans le cylindre 40.Les deux décharges successives-, l'une pour évaporer le liquide 12, l'autre pour augmenter la durée de vie du plasma créé, sont réalisées ici à l'aide des mêmes électrodes 46 et 48. A titre d'exemple; le cylindre-40 peut être un tube en quartz de 30 cm de long et de 8 cm de diamètre. Les électrodes 46 et 48 peuvent être réalisées- en molybdène et avoir une épaisseur de 2 mm par exemple. La hauteur de liquide 12 contenu à l'intérieur du cylindre 40 peut être égale à 0,5 mm et le liquide 12 peut être une solution de potassium à 10% en poids dans l'ammoniac et maintenue à une température de -63 C. Suivant une autre forme de réalisation, le laser ne comporte pas d'électrodes mais l'enveloppe contenant le milieu actif laser est entourée sur toute sa longueur par un tube en forme de solénoide permettant de provoquer à l'intérieur de l'enveloppe une décharge électrique de type inductif. On peut par exemple utiliser une impulsion électrique de 2 mégawatts et de durée égale à 2 millisecondes à la fréquence de deux mégahertz. Cette méthode assure simulta nément la vaporisation du liquide et la surexcitation du mélange gazeux obtenu. Plus généralement, cette méthode peut être mise en oeuvre à l'aide d'un générateur alimentant une- sonde émettant des ondes hyperfréquences dans le liquide à volatiliser. Afin d'abaisser par pompage la pression de gaz situé au-dessus du liquide 12, on peut recouvrir ce dernier d'une pellicule d'un liquide ayant un point d'ébullition plus élevé et une densité plus faible. Ainsi lorsque le liquide 12 est de l'ammoniac ou l'un de ses dérivés, on peut employer une pellicule d'un carbure compris entre le pentane et l'octane. I1 va sans dire que la présente invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples non limitatifs. En particulier, la forme de l'enveloppe- contenant le milieu actif laser ne se limite pas à un parallélépipède ou à un cylindre. La mise en mouvement du liquide 12 à l'aide du circuit de circulation 50 n'est pas obligatoire et l'on peut utiliser une enveloppe scellée. Les valeurs des différentes longueurs, hauteurs, tensions électriques, capacités et résistances ne sont données qu'à titre indicatif. REVENDICATIONS 1 / Procédé d'obtention d'une-- inversion de population dans une vapeur métallique caractérisé en ce qu'il consiste successivement: - à dissoudre au moins un élément métallique dans un liquide contenu dans une enceinte et ayant la propriété d'ioniser les éléments métalliques, de sorte que ledit élément soit dissocié en ions et en électrons, la conductivité électrique dudit liquide devenant du même ordre de grandeur que celle de l'état métallique, et - à évaporer rapidement ledit liquide contenant ledit élément dans ladite enceinte laquelle est alors remplie de ladite vapeur métallique, la pression dans ladite enceinte étant choisie de façon à ce que ladite vapeur ne soit pas à ltétat de vapeur sur-critique, ladite inversion de population ayant lieu entre niveaux d'énergie dudit élément métallique au cours de la recombinaison desdits ions et des dits électrons. 20/ Laser métallique comportant application du procédé défini à la revendication 1, comprenant deux miroirs, dont l'un au moins est semi-transparent, formant une cavité résonnante de Perot-Fabry, une enveloppe contenant le milieu actif laser et placée entre les deux dits miroirs, ladite enveloppe étant transparente au moins aux deux endroits situés sur l'axe de ladite cavité résonnante, et des moyens pour créer une inversion de population, ledit laser étant caractérisé en ce que ledit milieu actif est constitué d'au moins un élément métallique dissous dans un liquide ayant la propriété d'ioniser les éléments métalliques, ledit élément étant alors sous forme d'ions et d'électrons et-ledit liquide ne remplissant que partiellement l'enceinte délimitée par ladite enveloppe; et en ce que lesdits moyens pour créer une inversion de population sont des moyens de volatilisation rapide dudit liquide. 3 / Laser métallique suivant a revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément métallique est choisi dans le groupe comprenant les alcalins, les alcalino-terreux et le magnésium. 40/ Laser métallique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit liquide est choisi dans le groupe comprenant l'ammoniac et ses dérivés. 50/ Laser métallique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de volatilisation rapide du liquide sont au moins une paire d'électrodes encadrant au moins partiellement ledit liquide et en contact avec lui et des moyens pour établir rapidement une différence de potentiel électrique élevée entre lesdites électrodes. 6 / Laser métallique suivant la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens pour établir rapidement une différence de potentiel électrique élevée comprennent un condensateur, un générateur électrique d'alimentation du condensateur, un thyratron commandant la décharge rapide du condensateur et une résistance assurant le régime critique de la décharge, ladite décharge du condensateur dans le liquide produisant sa volatilisation. 70/ Laser métallique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'évaporation rapide du liquide comprennent un générateur alimentant une sonde émettant des ondes hyperfréquences et placée en regard du liquide à volatiliser. 80/ Laser métallique suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ladite sonde est un solénoide entourant ladite enveloppe, ledit générateur permettant une décharge électrique de type inductif dans ledit solénoide. 90/ Laser métallique suivant l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit auxiliaire de circulation dudit liquide à l'extérieur de ladite enveloppe. 100/ Laser métallique suivant la revendication 9, caractérisé en ce que ledit circuit auxiliaire est un circuit fermé. 110/ Laser métallique suivant l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de refroidissement dudit liquide. 12 / Laser métallique suivant les revendications 9 et 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de refroidissement font partie dudit circuit auxiliaire. 13 / Laser métallique suivant l'une des revendications 2 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour augmenter la durée de vie du plasma constitué par les ions et les électrons de ladite vapeur métallique. 14 / Laser métallique suivant la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens pour- augmenter la durée de vie du plasma comprennent au moins une paire d'électrodes auxiliaires entourant partiellement ladite vapeur métallique et des moyens pour produire rapidement une différence de potentiel électrique élevée entre les deux dites électrodes.