Brevet FR2192396A1 — publié le 19740208

L'invention concerne d1une façon générale les lasers à gaz dynamique à pompage thermique dans lesquels un mélange de gaz en équilibre initial est détendu à travers une tuyère supersonique pour créer une inversion de population dans un des constituants du mélange. On conit-ïtt dans l'art antérieur des lasers à gaz dynamique a CO2, pompés thermiquement, dans lesquels un mélange d'azote, de dioxyde de carbone et d'hélium (ce dernier pouvant être remplacé par l'hydrogène ou l'eau) est d'abord effectué dans une chambre de stagnation où les gaz sont chauffés et comprimés à respectivenent une température et une pression de stagnation, par exemple 14000K et 17 bars. Les gaz sont détendus à travers une tuyère connergente- divergente supersonique ou une pluralité de petites tuyères en parallèle (Mach = 4 par exemple) jusqutà la température ambiante et une pression de l'ordre de 0,1 bar.A la fin de la tuyère les gaz passent à l'intéricur d'une cavité optique résonnante munie de miroirs sur deux cotés qui se font face. Le rayonnement laser sort, par exemple, par une ouverture ménagée dans qui des miroirs, per pendiculaireniont au trajet des gaz. Après la cavité les gaz sont éjectés par un col de reprise qui peut être relié à un réservoir de ;rand volume dans lequel la pression est maintenue suffisamment basse. Le mélange de gaz a sensiblement les proportions molaires suivantes : azote 91,3%, CO2 7,5% et H2O 1,2%, Dans les cas où l'eau est remplacée par l'hélium les proportions deviennent azote 50%, C02 15% et He 35. La détente est faite en un temps qui est court par rapport au temps de relaxation de la vibration i du mode asymétrique de valence de C02 de 2331 cm qui est couplé à la vibration unique de l'azote de 2349 cm-1. Au même moment, grâce à l'addition comme catalyseur de l'hélium ou de la vapeur d'eau, la vibration symétrique de valence qui forme le niveau bas du laser relaxe en un temps comparable au temps de détente ou plus court que ce dernier.Il en résulte une dépopulation des modes # 1 et 42 par la chute de la température statique au cours de la détente; en revanche le mode 93 du C02 qui est en 3 002 équilibre vibrationnel avec l'azote reste peuplé de façon presque égale à la population qu'il avait dans la chambre de stagnation. Ainsi au débouché de la tuyère on a réalisé un figeage de vibration, c'està-dire que la population du niveau haut est caractérisée par une température peu différente de celle de la chambre de stagnation et la population du niveau bas (vibration symétrique de valence) est caractérisée par la température statique de la région aval de la tuyère.Le résultat est une inversion de population entre le niveau v = 1 dei3 et les niveaux v = 1 de )1 ou v = 2 deux 2 ce 3 i qui rend possible l'effet laser entre ces niveaux0 La puissance mulon peut extraire de cette inversion est d'autant plus élevée qu'il y a à l'entrée de la cavité optique une quantité plus grande d'énergie de vibration des molécules C02 et N2, ctest-à-dire que les niveaux de température et de pression des gaz dans la chambre de stagnation sont élevés et que les pertes d'énergie de vibration du mode # 3 de CO2 couplé à la vibration de N2 dans la tuyère sont faibles.Pour augmenter la puissance du laser il faudrait donc d'abord augmenter la température et la pression du mélange de gaz dans la chambre de stagnation mais cette augmentation entratne une augmentation de la vitesse de désactivation de CO2 En observant que si il azote était seul, il ne subirait pas de désactivation au cours de la détente mais que la présence de C022 et à un degré moindre de 11e, accélère considérablement cette désactivation, il faudrait aussi pour augmenter la puissance du laser diminuer le pourcentage de 0020 Mais comme le gain optique par unité de longueur du laser dépend du nombre de molécules de C02 par unité de volume, cette diminution doit rester limitée.Pour ces raisons une température de stagnation de 2000K, une pression de stagnation de 20 bars et un pourcentage molaire de C02 de 7,5% semblent des limites que l'on ne peut dépasser, les deux premières vers le haut, la dernière vers le bas,dans les lasers connus0 Les lasers à C02 de l'art antérieur du type décrit ont une puissance théorique allant jusqu'à 40 KW et la perte principale de puissance est due au figeage incomplet de l'énergie vibrationnelle du niveau supérieur, c'est-à-dire à la désactivation vibrationnelle dans la tuyère. L'énergie vibrationnelle du niveau supérieur n'est figée que dans la proportion de 50 à 60%. Ltobjet principal de la présente invention est de diminuer les pertes d'énergie par figeage incomplet de 11 énergie vibrationnelle du niveau supérieur dans la tuyère, la proportion d'énergie figée devenant égale à 90 à 95% de l'énergie de ce même nivoau dans la chambre de stagnation. Le procédé tie l'invention consiste à ne pas mélanger les gaz CO2, N2, He avant leur chauffage et leur excitation, mais seulement après, dans le cours de la détente. il est ainsi possible de chauffer et d'exciter l'azote constituant un réservoir d'é- nergie de vibration dans la chambre jusqu'à des températures de 2500 à 30O0K. De plus il existe deux autres avantages : d'abord l'absence d'hélium et de C02 dans les gaz chauds permet dans une partie de la détente de moins fortes pertes d'énergie de vibration, ce qui augmente encore la puissance disponible à l'entrée de la cavité; ensuite le C02 et l'hélium étant injectés à une température bien plus faible que dans le système de l'art antérieur, la température finale des gaz N2 - C02 - He est plus faible, ce qui améliore le gain laser. L'inversion de population est provoquée, contrairement au système de l'art antérieur, par les phénomènes de transfert d'énergie de vibration pendant le mélange. Le mode # 3 du CO2 se met en équilibre avec la vibration de l'azote, alors que les modes 91 et 2 2 ne s'excitent que jusqu'à la température statique qui règne à l'endroit considéré. Cette inversion apparat presque instantanément dans une petite zone très proche de la confluehce de deux écoulements; elle se développe ensuite, autant du point de vue spatial que en amplitude, au cours et à cause de la détente. Pour que le mélange entre les gaz chauds et froids (ces derniers étant C02 et He) soit cependant assez efficace, il importe: a) - que la vitesse des gaz ne soit pas trop élevée et des ordres de grandeur seront donnés dans la suite; b) - que le C02 et l'hélium soient introduits au centre de l'écoulement, et non pas seulement par les parois de la tuyère; c) - que la section d'injection ne soit pas trop proche de la cavité résonnante. L'injection optimale se situe dans une région proche du col géométrique de la tuyère, sur l'axe de symétrie de celle-ci et cette zone sera définie plus loin. L'invention va Btre maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente en élévation un laser à C02 conforme à l'invention; et - la Fig. 2 représente en perspective ce meme laser. Dans les Figs. 1 et 2, 10 représente une chambre de stagnation formée de deux parois cylindriques coaxiales 71 et 12,de respectivement 10 et 20 cm de diamètre, et de 30 cm de hauteur et de deux fonds plats 13 et 14. Les parois cylindriques sont en cuivre et creuses et constituent les électrodes d'un arc électrique. Les parois sont refroidies par une circulation d'eaux L'azote à 15 bars entre dans la chambre 10 par les conduites 15 et 16 et sort par la conduite 17 reliée à la tuyère0 L'arc électrique porte l1 azote à une température comprise entre 250d et 30000K. La tuyère 18 a une géométrie bidimensionnelle et elle se compose de deux faces latérales planes 19 et 20 et de deux profils évolutifs convergents-divergents 21 et 22. La largeur de la tuyère est de 12 cm et son col 23 a une hauteur de 2 mm. Dans le plan de symétrie de la tuyère se trouve un injecteur 24 qui ressemble à un profil d'aile symétrique. Son bord de fuite est placé dans une zone proche du col 23. Cette zone est définie de la façon suivante : sa limite amont est la section minimale de la tuyère en faisant abstraction de l'injecteur et sa limite aval est une section pour laquelle la hauteur de la tuyère dans ladite section est égale à 1,1 fois la hauteur minimale La partie épaisse de l'injecteur 24 comporte deux trous cylindriques, l'un 25 servant de passage à un fluide de refroidissement et l'autre 26 servant de conduite d'amenée au mélange de gaz carbonique et d'hélium à la température ambiante. Le bord de fuite de l'injecteur est percé d'une série de trous 27 de petit diamètre débouchant dans la conduite 26. Au débouché de la partie divergente de la tuyère, son diamètre est de 5 cm; la température est la température ambiante et la pression OsC2barO Dans ces conditions, la vitesse d'écoulement est de Mach = 1 dans le col de la tuyère et de Mach t 5 à la sortie. Près du plan de la sortie, la paroi de la. tuyère est constituée localement par deux miroirs, l'un 28 sphérique et réfléchissant à 100%,1tautre 29 plan et partiellement transparent. L'intervalle entre ces miroirs constitue la cavité optique résonnante. Les débits sont réglés pour que les proportions molaires soient de 50% pour l'azote, 15% pour le C02 et 35% pour l'hélium, ce qui correspond à des débits massiques de 150 grammes d'azote par seconde pour 80 grammes du mélange C02 + He. Ainsi que déjàdit l'hélium peut ktre remplacé par 11 eau, les proportions étant alors celles indiquées précédemment. Dans ce qui précède on a supposé que le pompage thermique était effectué par un arc électrique. Les moyens de chauffage étant indifférents, on peut par exemple produire l'azote par la réaction exothermique qui permet d'atteindre une température d'environ 4000 K. -REVENDICATIONS- 10) - Procédé pour améliorer le temps de relaxation de mode vibrationnel asymétrique d valence # 3 du CO2 dans un laser utilisant l'azote, le gaz carbonique et un gaz catalyseur de la désactivation des deux autres modes vibrationnels du C02 caractérisé en ce qu'il comprend les stades suivants : chauffage et compression de l'azote seul dans une chambre de stagnation à une température d'au moins 25000K et une pression d'au moins 15 bars, détente de l'azote dans une tuyère à une vitesse supersonique, injection du C02 et du gaz catalyseur froids dans le col de la tuyère à une vitesse sonique. 20) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz catalyseur est l'hélium et les proportions molaires du mélange sont approximativement 50% à 75% pour l'azote, 7,5 à 15% pour le C02, 20 à 35% pour 1 2 hélium. 30) - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz catalyseur est la vapeur d'eau et les proportions mo laires du mélange sont approximativement 80 à 90% pour 12 azote, 7,5 à 15% pour le CO2, 1 à 3% pour l'eau. 4 ) - Laser à N2 et C02 comprenant une chambre de stagnation1 des moyens de remplir d'azote ladite chambre et de porter cet azote à une température élevée et une pression d'au moins 15 bars, une tuyère détendant l'azote ainsi que du C02 et un gaz catalyseur de la désactivation des modes vibrationnels bas du C02 à une vitesse supersonique jusqu'à une pression égale ou inférieure à la pression atmosphérique et une température de l'ordre de la température am Liante et une chambre optique résonante à la suite de la tuyère traversée par les gaz d'éjection de celle-ci , caractérisé en ce que la température dans la chambre de stagnation est d'au moins 25000K et que le laser comprend en outre un injecteur situé sur l'axe de la tuyère près du col de cette dernière et introduisant dans celle-ci à une vitesse subsonique un mélange de C02 et de gaz catalyseur à une température de l'ordre de la température ambiante. 5 ) - Laser à N2 et CO2 conforme à la revendication 4,caractérisé en ce que la tuyère a une symétrie bidimensionnelle à plan de symétrie et que l'injecteur a la forme d'une aile traversée par une conduite d'amenée du mélange de CC2 et de gaz catalyseur et dont le bord de fuite de l'injecteur est percé de trous en communicati@ avec ladite conduite. 6') - Laser à N2 et C02 conforme à la revendication 5 caractérisé en ce que le bord de fuite de l'injecteur est placé au voisinage du col de la tuyère dans la région divergente de celle-ci et dans une zone de cette région où la hauteur de la tuyère est comprise entre la hauteur du col et 1,1 foib cette hauteur.