Brevet FR2108795A1 — publié le 19720526

La présente invention est relative à un dispositif laser à rayonnement infra-rouge. Dans le brevet français nO 1 4 & 46L3itj on a décrit un dispositif laser à rayonnement infra-rouge constitué par une enceinte en forme de tube cylindrique long et étanche de faible diamètre, fermée à ses extrémités par deux miroirs de façon à former une enceinte semblable à celle d'un interféromètre de Fabry et Pérot.Cette enceinte était remplie sous une pression de quelques torrs d'un gaz à molécules polyatomiques non dissociées, tel que le C02, éventuellement additionné d'autres gaz tels que l'azote ou l'hélium, et munie d'électrodes longitudinales extérieures ou intérieures, disposées suivant deux génératrices opposées ou suivant deux hélices décalées d'un demi-pas entre lesquelles était appliqué un champ alternatif transversal de haute fréquence au moyen d'une tension de quelques centaines de volts et ayant une fquence de l'ordre de 10 MHz, de façon à produire dans la zone axiale du tube une excitation à un niveau d' énergie de vibration-rotation s' accom- pagnant d'une Inversion de populations et donnant lieu à une émission laser axiale dans la longueur d'onde des 10,6 microns.Ce dispositif avait permis d'obtenir des puissances de quelques watts par mètre de longueur du tube avec un rendement en énergie dépassant 10%. Depuis cette première réalisation d'un laser à rayonnement infra-rouge constitué par une enceinte fermée sans cIrculation de gaz, il a été réalisé (cf. article de A.J. Beaulieu "Trarsverse- ly excited atmosphéric pressure C02 lasers" publié le 15 Juin 1970 dans Applied Physics Letters, volume 16, nO 12) un laser de ce type fonctionnant sous une pression allant jusqu a la pression atmosphérique ce qui a permis d'augmenter la puissance du dispositif et d'éliminer les problèmes d'étanchéité du tube, en palliant cependant l'échauffement du gaz contenu dans l'enceinte par un regime d'excitation impulsionnel sous forme d'impulsions courtes et de basse fréquence de répétition, obtenues à l'aide d'un générateur à relaxation comportant un condensateur chargé sous une tension de 17 000 volts et se déchargeant à une fréquence de l'ordre de 30 fois par seconde. Ces décharges étaient produites dans l'enceinte entre deux électrodes rectilignes ou hélicoidale dont l'une formant anode était constituée par une barre massive, pénétrant à l'intérieur du tube, et l'autre formant cathode, par une série de pointes résistives pénétrant également à l'intérieur du tube et réparties sur une hélice décave d'un demi pGS par rapport à la . fi première. La présente invention est relative à un perfectionnement d'un dispositif laser de ce dernier type et qui est caractérisé par le fait que la cathode est constituée par des pointes résistives radiales pénétrant toutes sur une même longueur à l'intérieur de l'enceinte à travers sa paroi,-- réparties sur toute la surface de celle-ci-et interconnectées par'une liaison équipotentielle, tandis que l'anode est constituée par une grille cylindrique intérieure concentrique à la nappe cylindrique formée par les pointes cathodiques dasl'enGeinte dans laquelle eile est maintenue par des supports conducteurs traversant l'enceinte. La grille formant anode présente de préférence des mailles carrées ayant une dimension de l'ordre de 3 mm. urate à cette disposition des électrodes, l'oscillation laser se produit à l'intérieur de l'anode en forme de grille, sur un chemin optique libre où l'indice n'est pas perturbé par le violent régime des décharges électriques périodiques. La zone de gain étant plus homogène et présentant une symétrie de révolution, il devient possible de faire fonctionner le laser sur le mode fondamental. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et représenté au da dsin annexé une forme de réalisation du dispositif laser suiva;-z l'invention. Lå figure 1 en est une vue schématique en coupe axiale ace paginée du schéma du générateur d'impulsions. La figure 2 en est une coupe transversale suivant II-II de la figure 1. Comme représenté au dessin, l'enceinte du dispositif laser suivant l'invention est constituée par un tube cylindrique 1 de 5cm de diamètre et d'environ 1 m de longueur, en verre ou en matière plastique, fermée à ses deux extrémités par deux miroirs concaves 2, 3 dont l'un presente, pour la sortie de l'émission laser, une ouverture 4 fermée par une plaquette 5 transparente à la longueur d'onde de 10 microns.Cette-enceinte est remplie d'un mélange gazeux sous une pression pouvant aller de quelques torrs à la pression atmosphérique et comprenant, en volume, 5% de CO2, 5% d'azote et 905ru d'hélium. s A l'intérieur de l'enceinte 1 est montée coaxialement à l'aide de supports conducteurs non représentés et traversant la paroi du tube, une anode 6 constituée par une grille cylindrique, ayant un diamètre de 3 cm, tandis que la cathode est constituée par des pointes ou aiguilles telles que 7, 7', 7"... pénétrant radialement dans l'enceinte à travers la paroi des tubes, chacune de ces pointes étant montée en série avec une résistance ohmique 8, 8', 8"... ayant une-valeur de l'ordre de 1000 ohms.Ces pointes résistives sont régulièrement réparties sur la totalité ou sur une partie de la surface de l'enceinte en regard de l'anode 6 et leurs extrémités libres sont situées sur une surface cylindrique séparee radialement d'une distance de 1 cm de l'anode grillagée 6. Ces pointes sont par exemple disposées suivant des rangées circulaires comme représenté en figure 2 et reliées entre elles dans chaque rangée par des couronnes conductrices 9 qui sont toutes reliées entre elles par des conducteurs longitudinaux 10, 10' (figure 1) reliées à la masse de façon à réaliser une nappe de pointes équipotentielle lors de l'application de la tension entre les électrodes. De bons résultats ont été obtenus en utilisant un générateur d'impulsions à relaxation constitué par un condensateur de 0,022 microfarad chargé à travers une résistance de 400 000 ohms par une tension d'alimentation de 20 kilovolts et se déchargeant à travers un éclateur à une fréquence d'environ 10 fois par seconde, ces impulsions appliquées à l'anode provoquant des impulsions laser d'une durée d'une microseconde' décalées d'environ 2 microsecondes par rapport au départ de l'impulsion électriqe. Un générateur plus perfectionné représenté en figure 1 comporte un thyratron 11 dont la grille reçoit une tension de commande à la fréquence voulue des impulsions et dont l'anode reçoit la haute tension appliquée aux bornes 12, par l'intermédiaire d'une diode 13, le thyratron chargeant plusieurs condensateurs 14, 14t,14",14"',reliés en parallèle par des inductances 15, 15', 15" et connectés à l'anode en forme de grille 6. Comme indiqué ci-dessus, le rayonnement laser prend naissance à l'intérieur de l'anode en forme de grille 6, en regard des miroirs 2, 3, dans une zone caractérisée par une décharge sersi sont incolore correspondant au niveau d'énergie de vibration-rotation et entourée par une zone extérieure à décharge légèrement colorée entre cathode et anode. REVENDICATIONS 1. Dispositif laser à émission infra-rouge, du type constitué par une enceinte cylindrique longue remplie d'un mélange gazeux formé par au moins un gaz à molécules polyatomiques non dissociées tel que le C02, de l'azote et de l'hélium, maintenu à une pression pouvant être comprise entre quelques torrs et la pression atmosphérique et dans lequel le rayonnement laser est excité par application d'impulsions de trâs haute tension entre une anode et une cathode formée par un ensemble de pointes résistives, caractérisé par le fait que la cathode est constituée par des pointes résistives radiales pénétrant toutes sur une même longueur à l'intérieur de l'enceinte à travers sa paroi réparties sur toute la surface de celle-ci et interconnectées par une liaison équipotentielle, tandis que l'anode est constituée par une grille cylindrique intérieure concentrique à la nappe cylindrique formée par les pointes cathodiques dans l'enceinte dans laquelle elle est maintenue par des supports conducteurs traversant l'enceinte. 2. Dispositif laser suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'anode est formée par une grille métal ligue à mailles carrées ayant une dimension de l'ordre de 3 mm. 3. Dispositif laser suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les pointes résistives sont disposées suivant des rangées circulaires et réunis dans chaque rangée par une connexion en forme de couronne, toutes les couronnes étant reliées entre elles par des connexions longitudinales. 4. Dispositif laser suivant les revendications 1, 2.et 3 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que l'enceinte cylindrique a un diamètre de 5cm, que la grille formant anode a un diamètre de 3cm et que l'intervalle radial séparant l'anode de la surface cylindrique sur laquelle sont réparties les pointes de la cathode est de lcm. 5. Dispositif laser suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les impulsions sont appliquées entre les électrodes sous une tension de 20 kilovolts à la cadence de dix fois par seconde et sont produites par un générateur comportant par exemple des condensateurs chargés par un thyratron alimenté par une source de haute tension d'alimentation par l'intermédiaire d'une dode et dont la grille reçoit une tension de commande à la fréquence voulue des impulsions.