Brevet FR2160753A1 — publié le 19730706

La présente invention concerne les lasers à gaz et plus de particulièrement des lasers à gaz perfectionnés à l'oxyde/carbone. On s'est beaucoup intéressé à la mise au point des lasers à gaz moléculaire, qui ont un rendement élevé et une forte puissance d'émission dans l'infrarouge. Le rendement élevé des lasers à gaz moléculaire tient à ce que ces lasers tirent parti de transitions entre des niveaux de vibration et de rotation avec retour à l'état électronique fondamental, ce qui réduit au minimum la chaleur dissipée. Etant donné que les lasers moléculaires à gaz fonctionnent par transitions entre des niveaux très rapprochés de vibration et de rotation, leur puissance de sortie peut comporter un certain nombre de raies, en fait plus de 100 dans certains cas.Parmi les lasers à gaz, les lasers moléculaires à C02 et CO gazeux présentent un intérêt particulier étant donné que leur longueur d'onde démission se trouve dans les fenêtres de transparence de l'atmosphère, à proximité de 5 et 10 microns. La plupart des recherches et des travaux antérieurs concernaient les lasers à C02. L'intérêt porté aux lasers à CO est plus récent étant donné qu'on n'a pu obtenir un rendement élevé et de grandes puissances avant d'avoir recours aux très basses températures. Par conséquent, le mécanisme du laser à CO n'est pas très bien compris. Il semble que certains des phénomènes intervenant dans un laser à CO fonctionnant a grande puissance sont différents de ceux intervenant dans un laser à CO2, bien que les gaz mélangés et les conditions de décharge soient les mêmes dans les deux cas. Si l'on fait fonctionner un laser à oxyde de carbone à la température ambiante, c'est- & dire entre 15 et 250C, la puissance émise est faible et le rendement peu élevé. Par conséquent, tant qu'on n'a pas eu l'idée de faire for.ctionner les lasers à CO à des températures très basses, par exemple celle de l'azote liquide (770K), on n'a pu obtenir ni une grande puissance, ni des rendement élevés. Cependant, la nécessité de faire fonctionner un laser à oxyde de carbone moléculaire à des températures très basses est un grave inconvénient pratique. L'énergie nécessaire pour refroidir l'ensemble à ces basses températures en diminue le rendement global.Par ailleurs, l'utilisation d'un matériel fonctionnant à basse température complique exagérénent l'alimentation et le fonctionnement du laser. Par conséquent, on ne peut tirer parti de toutes les possibilités du laser à oxyde de carbone, à irnins qu'on ne puisse le faire fonctionner à la température ambiante avec une puissance et un rendement suffisants. Le régime de fonctionnement à très basse température de ce laser à oxyde de carbone est, comme on l'a indiqué, une décharge continue. Les travaux connus dans ce domaine mentionnent la mise en oeuvre de mélarges gazeux de C0-Re-N2-02 ou d'air. On utili sait pour ces travaux diverses quantités des gaz susmentionnés, leur pression partielle variant entre : 0,1 et 0,6 torr pour C0,0,52 et 8,8 torrs pour He,0,45 et 1,5 torr pour N2, moins de 0,025 torr pour 02 et 1,4 torr dans le cas de l'utilisation de l'air. Pour les lasers à oxyde de carbone fonctionnant par impulsions à la température ambiante, il semble que la pression de CO n'était que de 0,8 torr et qu'aucun autre gaz n'était présent dans le laser.Cela avait pour conséquence que la puissance émise par ce laser était de l'ordre du microwatt et par conséquent totalement insuffisante pour toute application pratique. La demande de brevet français déposée ce même jour par la DemAnderesse et intitulée "Laser à l'oxyde de carbone gazeux décrit un procédé destiné à augmenter le rendement d'un laser à C0 fonctionnant à la température ambiante à l'aide d'électrodes de mercure ou d'autres procédés pour introduire du mercure dans le mélange gazeux. Dans cette demande, le mélangegazeux additionné de mercure se situe dans l'intervalle utilisé pour les lasers à oxyde de carbone à décharge continue, fonctionnant à très basse température. En d'autres termes, les proportions relatives des gaz de ce mélange concordent, dans l'ensemble, avec celles indiques et utilisées antérieurement.La présente invention concerne une autre solution pour obtenir un fonction nement satisfaisant à la température ambiante d'un laser à oxyde de carbone Le procédé consistant à donner au mélange des proportions relatives de gaz semblables à celles indiquées par ail levers, on pCUt 3e combiner avec celui décrit dans la grande précitée en introduisant du mercure dans le mélange gazeux pour obtenir ainsi des résultats encore meilleurs. Selon l'invention, les pressions partielles des divers gaz constituant le mélange utilisé dans le laser à CO sont net- teintent accrues. On a observé qu'un fonctionnement très satisfaisant à la température ambiante peut être obtenu de manière surprenante dans le cas d'un laser refroidi par eau et contenant un mélange gazeux avec les pressions partielles des gaz ci-après CO : 0,5 à 5 torrs ; He: 25 à 500 torrs ; N2: 2 à 50 torrs, 2 : 0,01 à 3 % de la quantité de CO présente. Par ailleurs, on a obserbé que NO peut remplacer 2 en donnant d'excellents résul- tats.On notera que la caractéristique la plus importante de ce mélange gazeux est la proportion considérablement accrue d'hélium par rapport à la technique antérieure. L'addition de xénon au mélange gazeux, sous une pression partielle variant entre 1 à 5 torrs, augmente encore le rendement à la température ambiante. Par ailleurs, de la vapeur de mercure peut être incorporée dans le mélange gazeux pour améliorer encore le rendement de la manière décrite dans la demande de brevet français précitée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée ci-après. le comportement chimique de l'oxyde de carbone pendant la décharge électrique dans le laser est assez mal connu. Cependant, on admet que les composés suivants doivent apparattre au cours de la décharge dans CO : C, O, C02, C+, C20 et C02. les produits stables parmi ceux indiqués semblent devoir etre CO2, C3O2 et 02. On admet qu'une des réactions les plus importantes qui se produit au cours de la décharge est la suivante : CO # C + O. On pense que cette réaction tend, en particulier, vers la formation de C + O au cours du fonctionnement du laser à la tempéra- ture ambiante. Pour augmenter le rendement du laser à oxyde de carbone, il est nécessaire que le mélange gazeux contienne une proportion convenable de CO. Par conséquent, un des objectifs de l'invention, à savoir un rendement amélioré du fonctionnement a la température ambiante, est le déplacement de l'équilibre dans la formule ci-dessus vers la formation de CG pendant la décharge dans le laser.On pense que les proportions particuliè ros de a du mélange utilisé selon l'invention contribuent à empêcher le déplacement de l'équilibre vers C + O, tout en main tenant une quantité convenable de CG dans le tube à décharge, ce qui explique l'augmentation du rendement. Selon la présente invention, le mélange gazeux du laser contient de l'oxyde de carbone sous une pression partielle comprise entre 0,5 et 5 torrs, et de préférence entre 1,8 et 2,4 torrs. Ceci porte la quantité de CG au-dessus de celle employée antérieurement et augmente par conséquent le nombre de molécules par unité de volume émettant un rayonnement cohérent à l'intérieur du tube du laser.Cependant, si l'on ne faisait rien de plus, par exemple, dans le cadre de 11 invention, cette augmentation du nombre de molécules de CO participant à l'émission laser aurait tendance à augmenter le taux de décomposition (ou dissociation) de CG, c'est pourquoi on pensait antérieurement que cette augmentation de la quantité de CO ne pouvait pas donner de résultats satisfaisants, bien qu'il soit avantageux d'augmenter le nombre de molécules à émission cohérente, à cause des difficultés liées à leur dissociation dans ces conditions. Par conséquent, la présente invention permet en fait d'utiliser avantageusement des quantités accrues de molécules de CO sans les inconvénients qui en découlent. La quantité de 02 présente dans le mélange gazeux doit être comprise entre 0,01 et 3 % environ et de préférence voisine de 0,07 % de l'oxyde de carbone présent. On admet que l'addition de 02 entre les limites indiquées déplace l'équilibre de la réaction susmentionnée vers CO. L'équilibre entre 02 et CO est considéré corne important.Si-la quantité de 02 présente est insuffisante, on ne peut réaliser le déplacement de l'équilibre dans la proportion souliaitée. Par contre, s'il y a trop de 02, on observe une tendance à la formulation de CG2. Ceci provoque une diminution de la puissance émise par le laser dans la région souhaitce de fonctionnement du laser à CG, à savoir 5 microns. Par conséquent, l'interdépendance entre G2 et Corsa, en particulier, de llimportance en ce qui concerne la présente invention et cons laitue une base en vue d'augmenter le rendement et la puissance d'émission à la température ambiante. Le mélange gazeux contient une quantité d'hélium nettement supérieure à celle incorporée dans les mélanges gazeux antérieurs des lasers à CO, comble l'indique la description ci-dessus de la technique antérieure. Comme indiqué, la pression partielle de l'hélium peut varier entre 25 et 500 torrs et de préférence entre 50 et 100 torrs. Cet hélium est destiné à abaisser la temtéra- ture thermodynamique, étant donné outil a une conductivité thermique élevée et refroidit ainsi le gaz. La pression de l'azote présent peut varier entre 2 et 50 torrs, et de préférence entre 12 et 15 torrs. L'azote est destiné à absorber une partie de l'énergie et à la transférer à l'oxyde de carbone. Ceci est lié à un autre avantage de l'azote qui empêche la dissociation de l'oxyde de carbone par interaction sur les électrons à grande énergie, ce qui provoque sa décomposition en N + N. Quand N + N se recombinent en formant N2, l'éner- gie de la recombinaison est transférée à oxyde de carbone. Pour obtenir les résultats ci-dessus et réaliser cette absorption d'énergie, il est nécessaire qu'il y ait, par exemple, jusqu'à 6 fois plus de N2 que de CO présent dans le gaz, ce qui représente par conséquent une augmentation importante de la proportion de ce gaz dans le mélange par rapport aux lasers à CO antérieurs dans lesquels il était employé. Il résulte de la discussion ci-dessus, que la principale fonction de N2, He, 02 ou NO présents dans le mélange gazeux est d'empêcher la décomposition de CO. On pense que l'amélioration des résultats obtenus tient à ce qu'il y a plus de molécules de CO présentes dans le mélange gazeux oU passe la décharge que dans les lasers antérieurs. Les résultats obtenus avec le laser selon l'invention sont encore améliorés par l'addition de xénon sous ure pression partielle de 1 à 5 torrs. Le xénon joue deux rôles ; tout d'abord, il abaisse la température électronique pour l'amener à un niveau où le nombre d'électrons existant dans un intervalle d'énergie tel qu'ils puissent titre absorbés par CO ou N2, augmente. euxieniement, le potentiel d'ionisation du xénon est ,eu élevé. Ceci signifie qu'il faut moins d'énergie pour l'ioniser que pour les autres constituants du mélange gazeux du laser. Par conséquent, il s'ionise de préférence à CG et maintient ce gaz sous la forme CO en empêchant sa décomposition. On voit à nouveau que le xénon joue un rôle tel, par rapport aux autres gaz dans les quantités inzicouéem,aue le principal objectif, la conservation de CO dans le gaz du laser,est atteint. Par ailleurs, l'incorporation du mercure décrite dans la demande de brevet français précitée, dans le mélange gazeux où se produit la décharge peut améliorer encore les résultats et en particulier le rendement du laser à O0. Le procédé de l'invention peut être utilisé avec les lasers à courant axial et ceux à courant transversal. Dans un ensemble à courant transversal dans lequel le gaz se déplace normalement à l'aspe du tube laser, un circuit fermé est avantageux et réalisable avec un recyclage du mélange gazeux. Pour mettre en évidence les résultats de la présente invention, on utilise un tube de laser en quartz qui mesure 166 cm de long, avec environ 126 cm entre les électrodes et un diamètre intérieur de 2,5 cm. Le tube est refroidi jusqu'à 25 cm de chaque extrémité par de l'eau circulant dans une enveloppe extérieure concentrique pour maintenir la température de fonctionnement désirée. On peut employer des miroirs extérieurs associés avec des fenêtres de chlorure de sodium orientées de manière que les rayons émis par le laser les atteignent sous l'incidence de Brester. La cavité optique est réalisée de telle manière que le chemin optique entre un miroir à réflexion totale et un miroir plan réfléchissant 85 % du rayonnement incident avec un maximum entre 5 et 7 microns soit éauivalent à environ 10 microns.Les pressions des gaz dans le mélange utilisé avec ce laser sont les suivantes hélium 50 torrs ; CO 1,8 torr; N2 12 torrs et environ 2,2 torrs pour 02 ce aui correspond à irne pression totale de 64 torrs environ. La puissance émise atteint 10 YjJ avec une tension de 14 kV et un courant de 13 mA ce qui correspond à un rendement de 5,5 ,; ;. Si l'on ajoute du xénon sous une pression partielle de 2,5 torrs, au mélange ci-dessus, la puissance émise est de 15 J pour une tension de 11 kV et un courant de 13 mA, ce qui correspond a' un rendement de 10,5 Y. Avec ledit mélange contenant du xénon, on att-eint un rendement de 12,1 avec une ten sion de 9,2 kV et un courant de 22,5 na ce qui donne une puissance émise de 25 W. Si le mélange gazeux selon l'invention est additionné de mercure, le tube du laser comporte deux bains de mercure dans lesquels des électrodes sont noyées pour introduire de la vapeur de mercure dans le tube. Si l'on incorpore du mercure, on utilise un mélange de gaz dont les pressions partielles sont les suivantes : hélium : 62,6 torrs, CO : 2,4 torrs ; N2 : 15 tons et 02: 0,056 torr, au total environ 80 torrs. Le rendement obtenu est de 8 . Une introduction,sous une pression partielle de 2,5 torrs de xénon porte le rendement à 17 Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et que l'on pourra y apporter toute variante entrant dans son cadre et son esprit. REVEiICATIoeTS 1. Laser à gaz, caractérisé par la mise en oeuvre d'un mélange gazeux contenant des gaz sous les pressions partielles ci-après : CG : 0,5 à 5 torrs; He 25 à 500 torrs; N2 : 2 à 50 torrs, plus une quantité de gaz choisi dans le groupe constitué par G2 et NO équivalant à 0,01 à 2 0 de la quantité de CG. 2. Laser à gaz selon la revendication 1, dans lequel les pressions partielles des gaz sont les suivantes : CO : 1,8 à 5 torrs ; lie : 50 à 67 torrs; N2 : 12 à 15 torrs et une quantité de gaz choisi dans le groupe constitué par 0g et NO équivalent à environ 0,07 lo de la quantité de CG. 3. Laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient un mélange gazeux contenant du xénon sous une pression partielle comprise entre 1 et 5 torrs. 4. Procédé de réalisation d'un laser à l'oxyde de carbone fonctionnant à la température ambiante, caractérisé par l'introduction, dans un tube émetteur de rayonnement cohérent, dtun mélange gazeux dont les pressions partielles des gaz constitutifs sont les suivantes : CO : 0,5 à 5 torrs ; Ke : 25 à 500 torrs N2 : 2 à 50 torrs plus une quantité de gaz choisi dans le groupe constitué par 02 et NO, équivalant à 0,01 à 2 % de la quantité de CO. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pressions partielles des gaz constitutifs sont les suivantes CO : 1,8 à 5 torrs ; He : 50 à 63 torrs ; N2 : 12 à 15 torrs plus une quantité d'un gaz choisi dans le groupe formé par 02 et NO équivalant à environ 0,07 % de la quantité de CO. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par l'addition de xénon, sous une pression comprise entre 1 et 5 torrs au mélange gazeux mis en oeuvre.