Brevet FR2186761A1 — publié le 19740111

La présente invention a pour objet un émetteur ou amplificateur optique fonctionnant suivant les principes de la dynamique des gaz, c est-à-dire ce qu'on appelle un laser moléculaire dont le fluide de travail est un gaz moléculaire, de préférence C02 ou CO, mélangé à d'autres gaz tels que N2, H20, He, Ar, etc.. Le C02 à haute température entraine l'occupation thermique du niveau d'énergie et, dans la molécule, l'énergie de rotation de la molécule en rotation s'ajoute à l'énergie oscillatoire des noyaux oscillants l'un par rapport à l'autre. Un refroidissement rapide du fluide de travail entraîne un "gel" partiel du niveau de laser supérieur. Sous l'effet des chocs moléculaires, il se produit une désactivation du niveau inférieur, de sorte que s'effectue l'inversion d'occupation nécessaire pour l'effet de laser. Les dispositifs connus jusqu'à présent d'émetteurs optiques à dynamique des gaz du type susdit prévoient le montage en parallèle de tuyères Laval bidimensionnelles, les dimensions du col de la tuyère étant comprises entre environ 0,8 et 1,0 mm et la longueur de la tuyère étant d'environ 4 cm tandis que sa largeur est d'environ 1 cm. Le fluide de travail chaud, par exemple C02, passe par es la tuyère à une vitesse supersonique dans la direction de l'axe 4 et en mame temps se détend dans la direction de l'axe des x. Dans les lasers au C02 il faut que le rapport d'expansion entre la longueur du col de tuyère et la hauteur de sortie de la tuyère soit d'environ 10 à 20.Dans le laser à CO à dynamique des gaz, le rapport d'expansion nécessaire est égal à un multiple de 100 de sorte qu'il faut prévoir une longueur de tuyère en conséquence. C'est pour ces raisons de technique d'écoulement des gaz qu'il faut donner aux tuyères la longueur indiquée pour que le courant de gaz ne se détache pas des parois. L'inconvénient d'un tel dispositif est que le temps d'écoulement du fluide de travail est trop long, de sorte que le refroidissement ne s'effectue que relativement lentement et que, par suite, le niveau de laser supérieur ne "gêle" pas totalement parce qu'il suit partiellement le processus de refroidissement. Ceci entraîne obligatoirement une occupation plus petite du niveau de laser supérieur et, par conséquent, un rendement de puissance plus faible. C'est en particulier en cas d'augmentation de pression que cet inconvénient se fait sentir parce que la désactivation par chocs moléculaires s'effectue encore plus rapidement. La construction d'émetteurs optiques à dynamique des gaz de grande puissance à l'aide de densités de gaz élevées n' est donc pas possible de cette façon. Un but de l'invention est de pallier ces inconvénients et de fournir un dispositif qui permette de "geler" totalement le niveau de laser supérieur. Ce résultat est obtenu par l'invention grâce au fait qu'une pluralité de tuyères dont la détente s'effectue dans les trois dimensions, sont montées en parallèle, superposées ou juxtaposées. Grâce à cette disposition, on peut raccourcir très notablement la longueur de tuyère, tout en ayant le même diamètre de col de tuyère, le même rapport d'expansion et sensiblement la même inclinaison des surfaces de paroi par rapport à la direction d'écoulement suivant l'axe des z. Mais de ce fait, on peut obtenir une expansion plus rapide et le refroidissement qui est maintenant très rapide permet un "gel" complet du niveau de laser supérieur car, dans cet intervalle de temps plus court, le nombre de molécules désactivées par choc est plus petit d'une façon correspondante. Il en résulte qu'il est possible d'augmenter la densité des gaz et par conséquent d'améliorer encore le rendement de puissance. Selon différents modes de réalisation de l'invention, il est prévu de donner aux tuyères élémentaires une forme carrée ou une forme hexagonale, en nid d'abeilles. Selon un autre mode de réalisation, il est prévu de donner une forme circulaire au col de tuyère qui se poursuit par un entonnoir carré ou hexagonal. Selon un développement avantageux de l'invention, les surfaces des parois de la tuyère sont bombées, de forme concave, de sorte qu'elles transforment en courant parallèle le courant de gaz qui, initialement, est fortement incliné en expansion le long du col de tuyère. A cet effet, il est prévu que les parois de tuyère dirigées presque parallèlement l'une à l'autre se terminent à l'extrémité de la tuyère en formant un bord vif. I1 est de plus prévu que les parois des tuyères sont polies de sorte qu'est évitée toute perte de courant d'écoulement le long du bord en raison de couches limites laminaires ou turbulentes. Il est de plus prévu de procéder au refroidissement des tuyères, notamment dans le voisinage du col, à l'aide d'un liquide de refroidissement.Pour améliorer le refroidissement, il est prévu d'utiliser un métal à bonne conductibilité thermique, par exemple le cuivre. Si les tuyères doivent être très petites, il est prévu par l'invention de donner une forme circulaire au col de tuyère et à l'entonnoir de tuyère. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, dans lequel la figure 1 représente en vue perspective un ensemble de tuyères à section transversale carrée la figure 2 représente un ensemble de tuyères à section transversale haxagonale. La figure I montre un ensemble de tuyères 10 montées en paral lèle, à détente tridimensionnelle, dont les cols Il ont tous le même diamètre a et dont les sorties de tuyère 12 ont toutes le meme diamètre b. L'écoulement du fluide s'effectue dans le sens de l'axe des z et son expansion à la fois dans le sens de l'axe des x et de l'axe des y. Avec un diamètre de col a égal au diamètre de col a des dispositifs connus : a' = a et avec un rapport d'expansion E identique = = b2 2 E a b2 : a2 sensiblement égal de 10 à 20 pour le laser à C02 et de 100 à 1000 pour le laser à CO, et avec une inclinaison moyenne des surfaces de paroi par rapport au sens d'écoulement z identique, on obtiens des longueurs de tuyère sensiblement plus courtes. L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2 concerne un dispositif dans lequel des tuyères hexagonales 110 sont juxtaposées. Les surfaces de section transversale du col de tuyère 111 et de la sortie de tuyère 112 sont entre elles dans un rapport tel qu ici aussi on conserve un rapport d'expansion E compris sensiblement entre 10 et 20 pour le laser à C02 et entre 100 et 1000 pour le laser à CO. Dans les dispositifs représentés sur les figures 1 et 2, les surfaces de tuyère sont concaves. C'est au col que l'inclinaison des faces de tuyère par rapport à la direction d'écoulement z des gaz est la plus forte et elle correspond approximativement à la valeur qui peut être atteinte en fonction du nombre de mach prévu pour la tuyère, sans que le courant de gaz se détache ou décolle de la paroi (angle dit de Prandtl-Meyer). De plus, la courbure est telle que, à l'extrémité de la tuyère, les faces de tuyère se terminent presque parallèlement par des arêtes vives de sorte que le courant de gaz sort de la tuyère sous la forme d'un jet parallèle. Les tuyères peuvent aussi, par exemple, comporter un col de tuyère rond se raccordant à une sortie de tuyère carrée ou hexagonale. On peut également donner à la tuyère la forme d'un entonnoir à col de tuyère et à sortie de tuyère ronds, mais, dans ce cas, il serait plus avantageux de les disposer en cercle autour d'une tuyère centrale que de les aligner en rangées,-bien que, même dans ce cas, il se forme des intervalles en forme de coin d'une tuyère à l'autre. REVENDICATIONS - Emet-eur q rmplificateur optique fonctionnant par dyna- mique des gaz laser moléculaire, dont le fluide de travail est un gaz moléculaire, le préférence DO ou CO, méIaé a autres az, par exemple N2, H2O, He ou Ar, caractérisé en ce qu'un certain nombre de tuyères 10,110) à expansion tridimensionnelle sont montées en parallèle, superposées et. ou juxtaposées. 2.- Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyères élémentaires juxtaposées (10) ont un col de tuyère carré (11) et une sortie de tuyère carrée (12). 3.- Emetteur selon la revendication I, caractérisé en ce que le col de tuyère (111) et la sortie de tuyère (112) sont hexagonaux. 4.- Emetteur selon la revendication I, caractérisé en ce que le col de tuyère et la sortie de tuyère sont ronds. Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyères (10,110) ont un col de tuyère (11,111) rond qui se raccorde progressivement avec une sortie de tuyère (12,112) carrée ou hexagonale. 6.- Emetteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces de tuyère sont concaves et, à l'extrémité de tuyère, se terminent presque parallèlement par une arête vive, de sorte que le courant de gaz quitte la tuyère sous forme de jet parallèle. 7.- Emetteur selon-l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces de tuyère sont polies. 8.- Emetteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces de tuyère sont refroidies au moyen d'un liquide de refroidissement et sont faites en matériau à lionne conductibilité thermique. 9.- Emetteur selon llne quelconque des revendications précéentes, caractérisé en ce que le rapport d'expansion des tuyères est d'environ 10 à 20 pour un laser à CO et d'environ 100 à 1000 pour un laser à DC.