Brevet FR2197255A1 — publié le 19740322

La présente invention concerne un émetteur ou amplificateur (laser) C02 à dynamique des gaz avec dispositif d'expansion. On connatt déjà des émetteurs ou amplificateurs C02 à dynamique des gaz. Les dispositifs connus sont constitués par exemple d'une chambre de chauffage dans laquelle on réalise un mélange de gaz à haute température, constitué principalement de N2 C02 et de faibles quantités d'H20 ( 1 %). Grâce à la température élevée obtenue (qui est typiquement de 1000 à 30000K avec des pressions de 10 à 30 atm, le niveau de laser supérieur du C02 (niveau 001) ou le "niveau v = 1" du N est excité thermiquement. 2 Ensuite le gaz à haute température passe dans un système de buses d'expansion (buses Laval) montées en parallèle, où il se refroidit. Ce refroidissement s'effectue si rapidement que le niveau 001 du C02 ou le niveau v = 1 du N2 ne varie pas notablement (on dit qu'il "gèle"), tandis que l'occupation du niveau de laser inférieur du C02 (niveau 100) reste couplée à la température du gaz, c 'est-à-dire qu'elle tombe à une faible valeur, correspondant à la température peu élevée du gaz qui s'est détendu après être passé par la buse. On utilise des buses qui accélèrent le gaz par exemple jusqu'à 4 à 5 Mach, dont le diamètre de col est par exemple de 1 mm et dont la longueur est par exemple de 2 à 4 cm. Le courant hypersonique du gaz expansé à basse température et à faible pression (par exemple 0,1 atm) traverse alors le résonateur où l'énergie gelée du C02 ou du N2 est découplée sous forme de rayon laser, puis traverse un diffuseur où le courant de gaz est freiné et la pression est augmentée jusqu'à une valeur d'environ l atm, de sorte que le mélange de gaz peut être expulsé à l'air libre. L'inconvénient de ce dispositif connu est que, pour augmenter le rendement, sans modifier la dimension des appareils, on est obligé d'augmenter notablement la densité du gaz dans la chambre de chauffe et dans le résonateur (par exemple en la décuplant).Mais alors la vitesse de refroidissement du gaz dans la traversée du dispositif de buses ne suffit plus à "geler" le niveau 001 du C02 et le niveau "V = 1" du N2 L'effet de choc alterné devient en effet si élevé en raison de l'augmentation de la densité que l'occupation de ce niveau supérieur reste approximativement en équilibre thermique avec le gaz qui se refroidit de sorte que l'on ne peut plus obtenir dans le résonateur d'inversion, c'est- & dire qu'il n'y a plus derayon laser. C'est un but de l'invention de fournir un émetteur ou amplificateur C02 à dynamique des gaz qui évite les inconvénients signalés ci-dessus et avec lequel le rendement est notablement augmenté sans qu'il soit nécessaire d'augmenter les dimensions de l'appareil. Ce résultat est obtenu par l'invention grâce au fait que le dispositif d'expansion comporte un certain nombre de petites buses de Laval en forme de lamelles, parallèles entre elles, disposées sur une chambre de combustion, qui sont munies de canaux de refroidissement, les buses Laval ayant une hauteur de col d'environ 0,1 mm et une longueur allant de quelques millimètres à environ 1 cm.Grâce à ces mesures le temps de refroidissement est suffisamment raccourci (environ de 10 fois) pour suffire au "gel" du niveau 001 du C02 ou du niveau "v = 1" du N2, même avec des densités et des pressions dix fois plus grandes qu'avec les lasers connus. D'une façon correspondante, le rendement peut être environ décuplé sans avoir besoin d'augmenter les dimensions de l'appareil. Un autre avantage réside dans le fait que le gaz possède déjà dans le résonateur une pression d'environ 1 atm, de sorte qu'il n'y a plus besoin de compression à l'aide d'un diffuseur pour expulser le gaz dans l'atmosphère. I1 est donc tout à fait possible de diminuer les dimensions du dispositif d'ensemble. I1 est de plus proposé que les buses de Laval soient présollicitées en traction. Grâce à cette mesure les lamelles des buses sont capables de supporter la pression de la chambre de chauffe qui atteint quelques centaines d'atmosphères, en face de la. pression de 1 atm dans le résonateur. I1 est enfin prévu qu'un dispositif de fixation des lamelles de buse est disposé sur le côté de la chambre de chauffe. Le courant hypersonique n'est donc pas influencé entre et derrière les lamelles de buse. Pour focaliser encore mieux le rayon laser et obtenir un rayon symétrique par rapport à-un axe de rotation, il est prévu que les buses de Laval sont disposées de façon régulière et syme- trique tout autour d'une chambre de combustion en forme d'anneau.De cette façon les forces de poussée qui se produisaient jusqu'à maintenant sont pratiquement entièrement supprimées et on peut obtenir un rayon présentant une symétrie de rotation. Suivant un autre point remarquable de l'invention, un reste nateur de configuration non-stable est prévu sous une forme annulaire autour des buses de Laval. Cette mesure permet une focalisation optimale du rayon laser. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui suit, faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 représente schématiquement un dispositif selon l'invention - la figure 2 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention - la figure 3 représente une vue partielle du système de buses selon la figure 2 - la figure 4 est une coupe transversale partielle et schématique de l'exemple de réalisation - la figure 5 représente le dispositif de la figure 4 vu suivant la flèche A. La figure 1 représente schématiquement l'émetteur ou amplificateur à C02. A une chambre de chauffe 10 dans laquelle règnent une pression d'environ 20 à 200 atm et une température de I000 à 30000K se raccordent les orifices de buse 12 qui ont un diamètre d'ouverture H?"'0,l mm. La longueur L des buses 11 jusqu'au débouché dans le résonateur 20 est comprise entre environ quelques millimètres et 1 cm. Dans le résonateur la pression est d'environ p = 1 atm et la température T""4000K. Au résonateur 20 se raccorde un diffuseur 21 d'où le gaz laser s'échappe avec une pression d'environ 1 atm et passe dans le pot d'échappement 22 et de là dans l'atmosphère.Avec des pressions de valeur courante on obtient ainsi un temps de refroidissement environ dix fois plus court de sorte que le "gel" du niveau 001 du C02 et du "niveau v = 1" du N2 est encore possible avec une pression environ dix fois plus forte que jusqu'à maintenant. Le rendement est de ce fait à peu près décuplé. Les figures 2 et 3 montrent un exemple de réalisation d'un émetteur ou amplificateur à CO2 dans lequel une channe serrée de buses 111 en forme de lamelles se raccorde à la chambre de chauffe 110. Ces lamelles de buse sont si serrées les unes contre les autres que le diamètre d'ouverture et la hauteur de col obtenus sont égaux à Hrn 0,1 mm. La longueur L des buses 111 est inférieure à 1 cm. Pour pouvoir supporter la pression élevée de la chambre de chauffe les lamelles de buse sont soumises à une pré-tension de traction dans la direction "Z" et sont en outre munies de canaux de refroidissement et sont raccordéesà un système de refroidissement 113. La construction de support 115 pour les différentes lamelles de buse 111 se trouve sur le côté de la chambre de chauffe où le courant est faible. Grâce à cette disposition, le courant hypersonique entre et derrière les lamelles n'est pas influencé. I1 n'est pas nécessaire d'utiliser un diffuseur. Les figures 4 et 5 montrent un autre exemple de réalisation de l'invention. Une couronne de lamelles de buse 311 est montée autour d'un tuyau d'arrivée de combustible 300 placé au centre. Ces lamelles 311 sont disposées à une distance réciproque telle qu'elles forment des orifices de buse avec une hauteur de col H inférieure à un millimètre. La longueur de buse L, dans le sens du courant, est de quelques millimètres et peut aller jusqu'à environ 1 cm, suivant la configuration du laser désiré. Les lamelles de buse 311 sont raccordées à un dispositif de refroidissement et incluent entre elles la chambre de combustion 310. Elles sont fixées au moyen d'un support 315 et débouchent dans le résonateur annulaire 320 auquel se raccorde éventuellement un diffuseur 32I avec échappement 322. Le résonateur est de configuration non-stable et permet une focalisation optimale du rayon laser. Le dispositif selon l'invention fonctionne de la façon suivante. Sortant du tuyau d'arrivée de combustible 300 le fluide est injecté dans la chambre de combustion 3IO où s'effectue l'allumage et, pendant la combustion, il passe avec une pression élevée à travers les buses 311. Au cours de ce passage s'effectue la détente adiabatique et par conséquent il se produit l'inversion dans le résonateur 320. A cet endroit, l'énergie vibratoire des molécules est découplée sous forme de rayon laser, et même de rayon laser à symétrie de révolution. Le courant hypersonique est éventuellement reconcentré dans le diffuseur 32I et freiné jusqu'à une vitesse inférieure à la vitesse du son. Par l'échappement 322 les gaz sont expulsés suivant une direction radiale et/ou axiale dans l'atmosphère. Si la pression de gaz dans le résonateur a une valeur suffisante, d'environ 1 atm, l'expulsion peut se faire directement dans l'atmosphère. La chambre d'échappement 322 a donc une forme adaptée aux conditions particulières. Le nombre 30I désigne les miroirs de résonateur. Outre les avantages déjà cités du dispositif selon l'invention, la disposition symétrique par rapport à un axe de rotation donnée aux buses 311 présente une résistance mécanique élevée pour supporter la charge de la pression de chambre de combustion. REVENDICATIONS I. Emetteur ou amplificateur (laser) C02 à dynamique des gaz avec un dispositif d'expansion, caractérisé en ce que le dispositif d'expansion comporte un certain nombre de petites buses de Laval (11, 111) en forme de lamelles disposées parallèmement les unes aux autres sur une chambre de combustion (3IO) et en ce que ces buses de Laval ont une hauteur de col (H) d'environ O,I mm et une longueur (L) dans le sens du courant allant de quelques millimètres à environ 1 cm. 2. Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les buses de Laval (11, 111) sont soumises à une pré-sollicitation en traction de la part de leur dispositif de retenue 3. Emetteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de retenue (115) des lamelles de buse (11, 111) est disposé sur le côté de la chambre de chauffe (10,110). 4. Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les lamelles de buse (11, 111) et les dispositifs de retenue (115, 117) sont munis de canaux de refroidissement (112, 116). 5. Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les buses de Laval (311) en forme de lamelle sont disposées en couronne symétriquement autour d'une chambre de combustion (3IO) de forme annulaire. 6. Emetteur selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce qu'un résonateur de configuration non stable (320) est formé en couronne autour des buses de Laval (311).