Brevet FR2108975A1 — publié le 19720526

La présente invention concerne les générateurs lasers et plus particulièrement les générateurs lasers à flux gazeux. On connait des genérateurs lasers à flux gazeux dont le flux gazeux est composé d'un mélange de gaz comprenant au moins de l'azote et du gaz carbonique. Ce mé- lange gazeux circule dans une enceinte associée à une cavité résonnante du type Fabry-Pérot. Ce mélange gazeux est excité par exemple au moyen d'une décharge électrique. Les enceintes, dans lesquelles sont effectués les mélanges gazeux, sont généralement constituées dtun logement tubulaire comprenant à chacune de ses extrémités une électrode et une tubulure constituant l'amenée ou la sortie du mélange g deux. Avec de telles enceintes, on est limité aussi bien par la vitesse de circulation du gaz que par la puissance de décharge électrique, conditions qui doivent entre optimalisées au maximum pour obtenir des émissions lasers de forte puissance. La présente invention a pour but de réaliser un générateur laser à flux gazeux dans lequel le flux gazeux peut atteindre des vitesses d'écoulement très élevées, et dans lequel, le mélange gazeux constituant le flux, peut être excité par une très forte décharge électrique pour donner naissance à des impulsions lasers de forte puissance. La présente invention a pour objet un générateur laser comportant une source de gaz eXcité associée à une cavité resonnante formée de deux miroirs, caractérisé par le fait que ladite source de gaz excitée comprend une enceinte comportant au moins une amenée et une sortie d'au moins un premier fluide et deux électrodes disposées dans cette dite enceinte, une tuyère reliant la sortie de ladite enceinte à l'intérieur d'une chambre d'expansion, comportant une sortie sensiblement disposée en regard de la sortie de ladite tuyère, et deux fenêtres transparentes réalisées dans la paroi de ladite chambre et disposées sur un même axe passant sensiblement devant la sortie de ladite tuyère , des moyens pour amener dans ladite enceinte au moins un deuxième fluide au niveau de la sortie de ladite tuyère, lesdits miroirs de la cavité étant disposés de part et d'autre desdites fenêtres de façon que l'axe de la cavité soit sensiblement confondu avec l'axe sur lequel sont disposés lesdites fenêtres. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaftront au cours de la description suivante donnée en regard du dessin annexé à titre illustratif mais nullement limitatif dans lequel la figure unique représente schématiquement une forme de réalisation d'un générateur laser conforme à l'invention. Le generateur laser à flux gazeux représenté comprend une source de gaz excité 1 associée à une cavité. résonnante 2 constituée par exemple par deux miroirs 3 et 4 dont un au moins peut hêtre semi-transparent. La source de gaz excité 1 comprend une enceinte 5 comportant une amenée de fluide 6, deux électrodes 7 et 8 et une sortie 9. Ces deux électrodes 7 et 8 peuvent être reliées à une source d'énergie élec trique 10, qui peut être par exemple une bobine supraconductrice dans laquelle a été emmagasinée une grande quantité d'énergie. La sortie 9 de enceinte 5 est reliée à l'intérieur d'une chambre d'expansion 11 par une tuyère 12. La paroi de la chambre 11 comprend deux fenêtres 13 et 14 disposées en regard, sensiblement sur un même axe 15, la position de cet axe 1' étant déterminée de façon qu'il soit situé sensiblement devant et parallèle au plan de la sortie 16 de la tuyère 12. De part et d'autre de ces deux fenêtres sont disposés les miroirs 3 et 4 de la cavité résonnante 2 de façon que l'axe de la cavité soit sensiblement confondu avec l'axe 15 défini ci-dessus. En fait. on a représenté sur la figure les fenêtres 13 et 14 et les miroirs 3 et 4 séparés, mais on peut, suivant les cas, remplacer les fenêtres 13 et 14 directement par les miroirs 3 et 4. Mais bien entendu ,pour éviter toute détérioration, notamment des couches réfléchissantes des miroirs, on préfère réaliser des générateurs lasers tels que celui qui est représenté sur la figure. La chambre 11 comprend en outre une sortie 17 permettant d'évacuer les gaz qui sont amenés dans celle-ci notamment par la tuyère, cette sortie étant de préférence situee en regard de la sortie de la tuyère 12. Cette sortie 17 peut être simplement délimitée par une partie de la paroi de la chambre Il qui s'évase vers 1' extérieur. La source de gaz 1 comprend en outre des moyens pour amener un fluide dans la chambre 11 au niveau de la sortie 16 de la tuyère 12 et de préférence de manière que ce fluide soit réparti uniformément autour de cette sortie. Ces moyens sont constitués par un circuit annulaire 19 délimité, par exemple. par une partie de la paroi de la tuyère 12 et par des parties de la paroi de la chambre 11 et de l'enceinte 5. Ce circuit 19 est alimenté par exemple par une amenée de fluide 16, qui peut être connectée à un reservoir de ce fluide (non repré sentét, et mis en communication avec la chambre 11 par une ouverture circulaire 21 délimitée par la lèvre 20 de la tuyère 12 et la partie de la paroi de l'enceinte 11 qui se trouve en regard de cette lèvre. Le fonctionnement du générateur est le suivant, fonctionnement donné en prenant pour exemple un laser à flux gazeux constitué d'un mélange d'azote et de gaz carbo nique. L'enceinte 5 est d'abord balayée par de l'azote, l'amenée 6 etant connectée par exemple à une bouteille remplie d'azote sous pression , de même l'amenée 16 est con nectée à un réservoir de gaz carbonique sous pression. Lorsque la chambre 11 a éte suffisamment balayée par l'ensemble des deux gaz. on obture l'amenée d'azote 6 et on branche les deux électrodes à la source d'éner ligie 10. La décharge produite entre les deux électrodes 7 et 8, produit une excitation des molécules d'azote et une augmentation de température de ces molecules, tempé- rature qui peut atteindre 40000 K suivant l'énergie de decharge. L'azote à cette température, monte très fortement en pression, et ensuite se détend dans la chambre Il par la tuyère 12. A la sortie de la tuyère, les molécules d'azote excitées sont éjectées à une vitesse de l'ordre de 5 à 6 Mach et, par effet d'aspiration, entrai nent les molécules de gaz carbonique qui se trouvent dans le circuit 19 ces ces deux groupes de molécules se mélangent dans la chambre 11 sensiblement au niveau de l'axe 15 défini ci-dessus. Les molécules d'azote, excitées sous l'effet de la décharge, possèdent trois excitations possibles, une excitation thermique, une excitation rotationnelle et une excitation vibrationnelle. Les temps de relaxation des deux premières excitations sont très inférieurs au temps de relaxation de la dernière, ce qui fait que lorsque les molécules d'azote arrivent avec les molécules de gaz carbonique au niveau de l'axe 15 dans la cavité résonnante 2, il y a inversion de population qui donne naissance, suivant le processus classique des lasers C02, à une impulsion laser de forte puissance à une longueur d'onde de 10,6 p; par transfert de l'énergie vibrationnelle des molécules d'azote (N2) aux molécules de gaz carbonique tu02). Ensuite, du fait de la vitesse de circulation, le mélange d'azote et de gaz carbonique est évacué directement dans l'atmosphère par la sortie 17. Avec une telle source de gaz excité on obtient des impulsions lasers qui peuvent avoir une énergie de 1 MJ avec un rendement de l'ordre de 1 %. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a eté donné qu'à titre d'exemple. En particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, changer certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ - Générateur laser comportant une source de gaz excité associée à une cavité resonnante formée de deux miroirs, caractérisé par le fait que ladite source de gaz excitée comprend une enceinte comportant au moins une amenée et une sortie d'au moins un premier fluide, et deux électrodes disposées dans cette dite enceinte, une tuyère reliant la sortie de ladite enceinte à l'intérieur d'une chambre d'expansion comportant une sortie sensiblement disposée en regard de la sortie de ladite tuyère et deux fenêtres transparentes réalisées dans la paroi de ladite chambre et disposées sur un même axe passant sensiblement devant la sortie de ladite tuyère, des moyens pour amener dans ladite enceinte au moins un deuxième fluide au niveau de la sortie de ladite tuyère, lesdits miroirs de la cavité étant disposes de part et d'autre desdites fenêtres de façon que l'axe de la cavité soit sensiblement confondu avec l'axe sur lequel sont disposées lesdites fenêtres. 2/ - Générateur laser selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdits moyens pour amener le deuxième fluide dans ladite chambre sont constitués par un circuit de fluide entourant ladite tuyère et comportant une amenée de fluide et une sottie circulaire débouchantgdans ladite chambre à la périphérie et au niveau de la sortie de ladite tuyère. 3/ - Générateur laser selon la revendication 2 caractérisé par le fait que ledit circuit de fluide est délimité par une partie de la paroi de ladite chambre et par une partie de la paroi de ladite tuyère plongeant dans ladite chambre, la sortie circulaire dudit circuit étant délimitée par la lèvre de la sortie de ladite tuyère et par la partie de la paroi de ladite chambre se trouvant en regard de ces dites lèvres. 4/ - Générateur laser selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ledit premier fluide est de l'azote. 5/ - Générateur laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit second fluide est du gaz carbonique.