Brevet FR2180547A1 — publié le 19731130

La présente invention concerne un générateur laser à flux gazeux. On connaît des générateurs lasers dans lesquels on produit une décharge électrique dans un premier flux gazeux animé d'une très grande vitesse et assurant de la sorte l'entraînement d'un deuxième flux gazeux dans une chambre d'expansion notamment. Les molécules dudit premier flux gazeux généralement de l'azote, excitées sous lteffet de la décharge électrique, possèdent trois excitations possibles, une excitation thermique, une excitation rotationnelle et une excitation vibrationnelle. Les temps de relaxation des deux premières excitations sont très in férieurs au temps de relaxation de la dernière, d'où il résulte que lorsque les molécules d'azote et les molécules du deuxième flux gazeux, généralement du gaz carbonique, pénètrent dans ladite tuyère d'expansion, il se produit une inversion de population, qui donne naissance à une impulsion laser de forte puissance par transfert de lténergie vibrationnelle des molécules d'azote aux molécules de gaz carbonique. De tels lasers comportent donc une chambre d'expansion dans laquelle débouchent d'une part des tubulures d'amenée de gaz carbonique, et d'autre part une pluralité de tuyères d'alimentation en azote, animé d'une très grande vitesse, l'excitation de ce gaz étant effectuée au moyen d'électrodes associées auxdites tuyères. De tels dispositifs présentent cependant un certain nombre d d'inconvénients. En particulier, la mise en oeuvre d'une pluralité de tuyères d'alimentation en azote, réalisées généralement en quartz, conduit à des ensembles fragiles, d'un encombrement important et d'un prix de réalisation élevé. Par ailleurs, la structure ainsi que la disposition mutuelle des organes constituant de tels générateurs ne permet pas d'obtenir des décharges électriques homogènes dans l'azote, d'où il résulte une limitation de la puissance ainsi que du rendement de ltemission laser. La présente invention permet de remédier à de tels inconvénients et elle a pour objet un générateur laser à flux gazeux permettant de réaliser des décharges électriques particulièrement homogènes, et d'obtenir de ce fait des émissions lasers de forte puissance, un tel générateur présentant par ailleurs une très grande simplicité de structure associée à un cout de réalisation modique. L'invention concerne donc un générateur laser à flux gazeux comportant - une enceinte allongée de section sensiblement constante ouverte à une de ses extrémités, - des moyens d'alimentation de ladite enceinte en au moins un jet supersonique d'au moins un premier gaz, ces moyens d'alimentation comportant une tuyère d'injection débouchant dans l'enceinte au voisinage de son autre extrémité, - une chambre d'expansion allongée dans laquelle débouche l'enceinte par l'intermédiaire de son extrémité ouverte, la section de ladite chambre d'expansion étant progressivement croissante à partir de son extrémité adjacente à l'extrémité ouverte de l'enceinte jusqu a son extrémité débouchant dans une zone à basse pression, - des électrodes disposées dans ladite enceinte, aptes à créer une décharge électrique dans ledit premier gaz, - des moyens d'alimentation de la chambre d'expansion en au moins un deuxième gaz comportant au moins un injecteur, - une cavité optique résonnante apte à créer l'émission laser résultant de l'excitation dudit deuxième gaz par ledit premier gaz, étant disposée à l'inte- rieur de ladite chambre d'expansion au voisinage de l'extrémité ouverte de lten- ceinte, caractérisé par le fait que ledit injecteur est disposé dans l'enceinte et débouche sensiblement au voisinage de son extrémité ouverte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit donnée à titre d'exemple purement illustratif mais nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement en coupe un mode de réalisation d'un laser à flux gazeux selon l'invention, - la figure 2 précise la structure d'un injecteur mis en oeuvre dans le laser selon l'invention. Selon la figure 1, un générateur laser à flux gazeux comporte une enceinte 1 de diamètre Ql I dans laquelle débouche une tuyère d'injection 2 constituant une anode et connectée en conséquence à un générateur de tension (non représenté) par l'intermédiaire d'une résistance R.Cette tuyère 2 comporte un conduit axial 3 relié à une source d'azote sous pression (non représentée) et par ailleurs, sa face avant comporte l'orifice d'injection 4 de diamètre 2, divergent vers l'intérieur de l'enceinte 1 A l'autre extrémité de l'enceinte 1 et à distance L de l'extrémité de la tuyère 2 sont disposés sensiblement à égale distance 1 les uns des autres des injecteurs 5 de gaz carbonique, plus particulièrement décrits en référence à la figure 2, de tels injecteurs étant connectés à l'autre pôle dudit générateur de tension au moyen de conducteurs 13. L'enceinte I débouche dans une chambre d'expansion 6 munie de deux miroirs 7 et 8 constituant une cavité optique résonnante, le miroir 8 pouvant être semitransparent et assurer de la sorte ltémission laser dans le sens de la flèche F. La figure 2 permet de préciser plus particulièrement la structure des injecteurs 5, comprenant chacun un corps 9 profilé dans lequel on a pratiqué d'une part une canalisation 10 reliée par ses deux extrémités à une source de gaz carbonique (C02) et d'hélium et d'autre part une canalisation li dans laquelle circule un fluide de refroidissementX de l'eau (H20) en l'occurrence. Ladite canalisation 10 alimente une pluralité de tubulures d'injection 12 de gaz carbonique de section constante. Un tel générateur fonctionne de la façon suivante L'azote introduit sous pression dans le conduit axial 3 de la tuyère 2 est injecté à vitesse supersonique dans l'enceinte I par 11intermediaire de l'orifice d'injection 4. Par suite des valeurs prédéterminées des paramètres L, I et 4 2, précédemment définis, ainsi que du rapport L il se produit un écoule 1 ment turbulent de l'azote dans l'enceinte 1, sensiblement matérialisé par les flèches 14, une telle turbulence assurant une répartition homogène de la décharge électrique déclenchée en alimentant l'anode 2 et les conducteurs 13 au moyen d'un generateur électrique (non représenté sur la figure). L'azote s 'écoule alors entre les injecteurs 5 et la paroi de l'enceinte 1, et entraîne le gaz carbonique et l'hélium injectés par les tubulures 12. Le gaz carbonique se trouve alors excité à la manière décrite dans ce qui précède et produit une émission laser dans le sens de la flèche F, la puissance d1une telle émission étant bien entendu fonction de la valeur du paramètre 1 ainsi que du profil du corps 9 des injecteurs 5. L'invention est mise en oeuvre dans le domaine des lasers à grande puissance. Bien que le dispositif qui vient d'être décrit paraisse le plus avantageux pour la mise en oeuvre de l'invention dans une situation technique particulière, on comprendra que diverses modifications peuvent lui être apportées sans sortir du cadre de l'invention, certains de ses éléments pouvant être remplacés par d'autres susceptibles d'y assurer la même fonction technique. REVENDICATIONS 1/ Générateur laser à flux gazeux comportant - une enceinte allongée de section sensiblement constante ouverte à une de ses extrémités, - des moyens d'alimentation de ladite enceinte en au moins un jet supersonique d'au moins un premier gaz, ces moyens d'alimentation comportant une tuyère d'injection débouchant dans l'enceinte au voisinage de son autre extrémité, - une chambre d'expansion allongée dans laquelle débouche l'enceinte par l'intermédiaire de son extrémité ouverte, la section de ladite chambre d'expansion étant progressivement croissante à partir de son extrémité adjacente à l'extrémité ouverte de l'enceinte jusqu'à son extrémité débouchant dans une zone à basse pression, - des électrodes disposées dans ladite enceinte, aptes à créer une décharge électrique dans ledit premier gaz, - des moyens d'alimentation de la chambre d expansion en au moins un deuxième gaz comportant au moins un injecteur, - une cavité optique résonnante apte à créer l'émission laser résultant de l'exci- tation dudit deuxième gaz par ledit premier gaz, étant disposée à l'intérieur de ladite chambre d'expansion au voisinage de l'extrémité ouverte de l'enceinte, ca ractérisé par le fait que ledit injecteur est disposé dans l'enceinte et débouche sensiblement au voisinage de son extrémité ouverte. 2/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins trois injecteurs disposés à distance sensiblement constante les uns par rapport aux autres. 3/ Générateur selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé par le fait que chacun desdits injecteurs comporte au moins une tubulure d'injection. 4/ Générateur selon l'une des revendications I à 3, caractérisé par le fait que le diamètre de ladite enceinte, le diamètre de l'orifice de ladite tuyère d'injection, la distance entre la tuyère d'injection et lesdits injecteurs ainsi que le rapport entre ladite distance et le diamètre de l'enceinte sont prédéterminés de sorte à créer un écoulement turbulent dudit premier fluide dans l'enceinte. 5/ Générateur selon l'une des revendications ] à 4, caractérisé par le fait que l'une desdites électrodes d'excitation est constituée par ladite tuyère d'injection. 6/ Générateur selon l'une des revendications I à 5, caractérisé par le fait que l'autre électrode d'excitation est constituée par lesdits injecteurs. 7/ Générateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le profil externe desdits injecteurs ainsi que leurs distances mutuelles sont prédéterminés en fonction de la puissance de ltémission laser. 8/ Générateur selon l'une des revendications I à 7, caractérisé par le fait que chacun desdits injecteurs comporte un circuit de refroidissement.