Brevet FR2239778A1 — publié le 19750228

La présente invention, due au travaux de Monsieur Jean-Pierre GIRARDEAU-MONTAUT de l'Université de Clermont Ferrand, a pour objet un laser à gaz à excitation transverse comprenant une pluralité de lignes de stockage transversales. On a déjà proposé d'utiliser une décharge électrique transverse progressive pour exciter un gaz et provoquer, pendant une'durée très courte; une inversion de population pouvant conduire à une émission stimulée. On pourra se reporter par exemple à l'article de John D. Shipman intitulé "Traveling wave excitation of high power gas lasers" publié dans la revue "Applied Physics letters", le ler janvier 1967, volume 10, nO 1. Dans ces dispositifs, le caractère progressif de la décharge est obtenu en déclenchant celle-ci à l'aide d'une série d'interrupteurs commandés séquentiellement à des instants bien déterminés. Plus récemment, on a proposé d'utiliser, comme structure de stockage, une ligne de propagation du type à deux conducteurs, dans un montage dit de Blumlein. Le déclenchement de la décharge peut être obtenu dans ce cas å l'aide d'un seul interrupteur. La figure 1 représente un exemple d'une telle structure à excitation transverse selon l'art antérieur. Sur cette figure, une ligne Là deux conducteurs , du type Blumlein, est chargée au moyen d'une source haute tension S. L'un des conducteurs de la ligne, par exemple le conducteur supérieur, est séparé en deux parties 1' et 1" entre lesquelles est inséré un canal C rempli du gaz à exciter. Les deux parties 1' et ltt sont reliées par une inductance 2. Le conducteur inferieur est relié par exemple à la masse. Un éclateur E déclenche la décharge de cette ligne et fait apparaître une onde transverse électrique magnétique (en abrégé TEM) dont le front 4 est cylindrique et centré sur lleclateur E. Cette onde cylindrique se propage dans la ligne L et atteint le canal C.Le rayonnement stimulé est généralement obtenu dans des conditions dites de super-radiance, et il est émis dans l'axe du canal suïvant la flèche 6. Bien que de tels lasers fonctionnent correctement, la puissance lumineuse qu'ils émettent dépasse rarement 10 MW dans le cas de l'azote à 3371 A et 1 MW dans I'hydrogène à 1600 . Si l'on veut augmenter ces puissances, il faut augmenter le gain d'amplification du laser, gain qui dépend essentiellement de deux paramètres : la longueur d'amplification et la densité d'inversion de population. La longueur d'amplification est, en principe, aussi grande que l'on veut. Cependant, on est vite limité par des considérations d'ordres pratique et technologique. Par exemple, pour des longueurs supérieures à lm, le système de stockage de l'énergie électrique doit être fractionné en plusieurs élements indépendants, chaque élément disposant-alors d'un système propre de déclenchement. Cela nécessite la mise en oeuvre d'un système de synchronisation des déclencheurs, qui est toujours délicat. On sait par exemple que les fluctuations de déclenchement doivent-être inférieures environ ions, dans le'cas de l'azote et 100 ps dans -le cas de l'hydrogène. Pour une longueur de canal donnée, la géométrie des lignes de stockage et de transmission de l'énergie électrique est imposée par les conditions d'amplification choisies, qui sont du type "sùper-radiance". A titre d'exemple, pour une longueur de canal de lm, la capacité des lignes de transmission du montage double-ligne est limitée à quelques dizaines de nF. Pour une tension de charge de 30 kV, cette capacité correspond à une énergie totale emmagasinée-de 10 à 20 JK Compte ténu du rendement qui est de l'ordre de 10 à 10-2, on voit que l'énergie laser est au mieux de l'ordre de 50 mJ, soit 10 MW pendant 3 à.-4 ns. Ainsi, l'augmentation delta longueur du canal en vue d'atteindre des puissances lumineuses importantes se heurte vite à des limites qu'-il est difficile de franchir. Le second paramètre sur lequel on peut jouer est la densité d'inversion de population. Les densités les plus élevées obtenues jusqu' présent, à l'aide d'un montage du type Blumlein, dans l'azote ou dans 1 'hydrogène, sont de l'ordre de 1014 à 1015 nolécules/cm3, ce qui représente environ le millième des molécules présentes dans le gaz au moment du pompage La densité d'inversion de population dépend principalement de trois paramètres:: a) L'énergie des électrons dans le gaz, qui, pour une géométrie donnée du canal laser, dépend essentiel ment du rapport E/p du champ électrique appliqué à la pression du gaz Pour une transition donnée, et compte tenu des sections efficaces d'excitation electrons-atomes, ou électrons-molécules, la distri bution d'énergie des électrons peut être ajustée par action sur E et/ou sur p b) La densite instantanée de courant qui traverse le gaz, qui dépend de la capacité et de l'inductance des éléments de stockage et de mise en forme, des caractéristiques du déclenchement et de l'adaptation ligne- canal;; c) La durée de l'impulsion de pompage Pour une transition donnée, la densité dlinversion de population peut être augmentée notamment par un accroissement de la densité de courant-dans-le gaz. Pour cela il est nécessaire d'augmenter la capacité de stockage de l'énergie électrique, tout en diminuant l'impedance du système de pompage, sans allonger la durée de l'impulsion électrique d'excitation. Le dispositif de la présente invention a justementpour but un laser à gaz à excitation transverse de très grande puissance dans lequel on a considérablement augmenté la capacité de stockage d'énergie électrique par rapport aux lasers de l'art antérieur, tout en conservant les autres caractéristiques à leurs valeurs optimales. Une énergie stockée de l KJ peut être obtenue par mètre d'amplification; avec un rendement total de l'ordre de 0,1%, l'énergie émise par le laser de l'invention est alors de lJ environ ce correspond à une puissance crête de 1 GW pendant une nanoseconde.Ces performances exceptionnelles sont obtenues parce que les conditions optimales d'excitation du gaz sont satisfaites -avec le dispositif de llinvention, savoir: a) l'énergie de pompage est stockée à proximité du gaz à exciter, ce qui réduit au minimum le retard existant entre les instants de déclenchement et le début de formation du plasma dans le canal laser, b3 les durées de pompage peuvent être adaptées au gaz pour obtenir les conditions optimales (environ 15 ns pour l'azote et 1 à 2 ns pour l'hydro gène), c) l'énergie électrique d'excitation est distribuée de façon uniforme dans tout le volume du gaz, d) on réalise aisément l'adaptation des vitesses de l'onde électrique d'excitation et de l'onde lumi- neuse dans l'axe du canal-laser. Ces résultats sont obtenus en utilisant non pas unestructure longitudinale de stockage et de propagation comme dans l'art antérieur, mais un empilement de lignes plates disposées transversalement par - rapport au canal à exciter De façOn plus précise, l'invention a ppur objet un laser ≈gaz à excitation transverse du genre du ceux qui comprennent:: - une structure de stockage cap-acitif -d'énergie électrique, constituée par une ligne du type à deux conducteurs et susceptible de propager une onde TEM, - des moyens de décharge de ladite structure-sous la forme de ladite onde, - un canal inséré dans l'un desdits conducteurs-et rempli d'un gaz susceptible d'émettre un rayonnement stimulé après excitation par ladite onde, caractérisé en ce que ladite structure est composée par un empilement de lignes tranBverses du-type lignes plates à deux conducteurs, lesdites lignes étant disposées perpendiculairement à l'axe dudit canalet excitant chacune une section droite du canal. L'avantage d'une telle structure, par rapport à celles de l'art antérieur, est, comme on l'a vu, d'accroître considérablement l'énergie électrique stockée et, coorrélativement, la puissance lumineuse émise - par le laser. De plus, cette structure remplit toutes les conditions optimales d'excitation qui ont été exposées plus haut. De toutes façons, les caractéristiques de llinvention apparartront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, illustre un laser à gaz de type connu à excitation transverse; - la figure 2 représente, en perspective, le laser selon l'invention avec sa pluralité de lignes plates transverses; - la figure 3 est le circuit équivalent du montage de la figure 2; - la figure 4 représente une variante avantageuse du dispositif de la figure 2; - la figure 5 représente un second mode de réalisation du laser de l'invention; - la figure 6 représente le circuit équivalent dtun troisième mode de réalisation dans -lequel le canal est en position terminale par rapport à la ligne;; - la figure 7 représente le montage réel correspondant au circuit équivalent de la figure 6; - la figure 8 représente une variante avantageuse du dispositif de la figure 7, - la figure 9 est un schéma d'un circuit équivalent pourun mode de réalisation correspondant à un canal en position terminale associé à des condensateurs de découplage. - la figure 10 représente le montage réel correspondant au circuit de la figure 9; - la figure 11 est un schéma de principe d'un montage multiéclateur, déclenché par une impulsion électrique; - la figure 12 est-un schéma de principe d'un montage multiéclateur comprenant des condensateurs d'association; - la figure 13 est un schéma d'un montage multiéciateur déclenché par un faisceau de laser. La figure 2 représente schématiquement le laser à gaz à excitation transverse selon l'invention, dont la structure de stockage et de propagation est composée par un empilement de lignes plates transverses. Ces. lignes sont désignées par les références L1, L2. .. Ln. Chaque ligne comprend deux conducteurs métalliques plans 20 et 22 séparés par un diélectrique 24. Elle est chargée par une source de haute tension, non représentée, de la même manière que dans le cas des lignes des lasers de l'art antérieur. La décharge de l'énergie électrique est déclenchée par une pluralité.d'éclateurs: E1 pour la ligne L1, E2 pour la ligne L2 etc... . Le rayonnement stimulé obtenu par cette structure est émis dans l'axe du canal C, suivant la flèche 30. Le schéma électrique équivalent à ce dispositif est représenté sur la figure 3. VO représente la tension de charge de la ligne L formée par les deux tronçons L' et L". R est la résistance équivalente du canal qui est insérée dans l'un des conducteurs de la ligne. E désigne l'éclateur et R est une p résistance de protection. La fermeture de l'éclateur E entraine l'apparition d'une onde progressive, de type TEM, qui chemine à travers la première partie de ligne L', traverse la résistance-équivalente R et se propage ensuite dans la deuxième partie de ligne L". La figure 4 représente une variante avantageuse du dispositif de la figure 2 dans laquelle les bords de chaque ligne ont une forme sensiblement elliptique. L'ellipse a pour foyers F1 et F2; il est alors avantageux de disposer l'éclateur E au voisinage du foyer F1 et la section droite S du canal au voisinage de l'autre foyer F2. L'onde électrique TEM émise autour de l'éclateur È est alors réfléchie sur les bords de la ligne et focalisée au voisinage de la section S. A titre purement explicatif, pour une section S de l'ordre de 1 cm2, on peut prendre comme longueur de la première ligne environ 15 cm etcomme longueur de la deuxième ligne, 30cm environ, les- hauteurs de chacune d'elles étant voisines de 10cm; l'énergie emmagasinée est alors comprise entre 0,5 et 1J pour VO = 30 KV et pour un diélectrique de 250 pm, en mylar par exemple. Dans un autre mode de réalisation, on peut remplacer le contour elliptique- par un-premier contour parabolique au foyer duquel est placé l'éclateur, suivi d'un second contour parabolique au foyer duquel est placée la section du gaz .à exciter. De manière plus générale, on peut utiliser toute découpe des lignes transverses qui soit stigmatiqué pour deux points conjugués et placer éclateur E et la section du canal en ces deux points conjugués. La figure 5 représente un second mode de réalisation du laser de l'invention, qui a l'avantage de ne nécessiter qu'un seul éclateur et non plus une série d'éclateurs, comme dans le cas de la figure 2. Dans le montage de la figure 5, les lignes L'11 L'2 .. L' sont les lignes de stockage et n l'élément de mise en forme de l'impulsion est constitué par une double ligne de transmission 34 dont les plans sont perpen- - aciculaires aux lignes de stockage L'l ... L'n. Le canal à 1 n exciter est placé entre les lignes de stockage et la ligne 34 de mise en forme de l'impulsion. Dans tous les modes de réalisation précédents, I 1éclateur occupe une position terminale et le canal à exciter est inséré dans l'un des conducteurs de chaque ligne. Selon un autre mode de réalisation du laser de l'invention, c'est le canal à exciter qui est en position terminale alors que l'éclateur occupe une position intermédiaire, comme ltindique schématiquement le circuit de la figure 6 Les éléments communs à la figure 3 et à la figure 6 portent, pour simplifier, les mêmes références. Dans un tel circuit, le canal, représenté par la résistance équivalente R, est en position terminale à l'extrémité droite de la ligne. Le montage réel correspondant à ce circuit est reprété sur la figure 7 où une seule ligne transversale Ln est représentée, Dans ce mode de réalisation, on peut avantageusement donner aux bords des lignes une forme stigmatique, par exemple une forme en ellipse de foyers F'1 et F'2 conformément à ce qui est représenté sur la figure 8. La deuxième partie de la ligne L" peut être constituée par un arc de parabole de foyer F3, prolongé par des bords rectilignes. Lorsque le canal à exciter est en position terminale comme sur les figures 7 et 8, l peut être associé à des condensateurs de découplage conformément à ce qui est représenté sur la figure 9. Sur cette figure, qui représente le schéma du circuit équivalent de ce mode de réalisation, le canal est encore- représen- té par sa résistanceéquivalente R. Cette résistance est reliée à - la masse par un condensateur de couplage dynamique de valeur CO aux bornes duquel est connecté un condensateur de stockage de valeur Cl. La ligne L et les condensateurs C -et Cl sont chargés sous une tension V Le montage réel correspondant au circuit de la figure 9 est représenté sur la figure 10.La ligne plate de transmission L'' ',qui est toujours constituée par deux conducteurs métalliques séparés par une feuille de diélectrique, assure la mise en forme de l'impulsion électriquè. L'un des plans est porté à une haute tension, l'autre est relié à la masse. L'éclateur est disposé dans la ligne plate à l'extrémité opposée à celle où est situé le canal C dont la section droite est encore désignée par S. De manière à pouvoir imposer au montage des tensions relativement élevées, quelle que soit la distance inter-électrodes dans le canal, l'électrode terminale est portée à la haute tension et séparée de la masse par les capacités de découplage C0et C1.La capacité CO est formée par un plan métallique 40 porté à la haute tension VO, un diélectrique 42 et une électrode à la masse 44. Le condensateur 46, de valeur C1, qui stocke l'énergie électrique est inclus dans le montage de la capacité CO, de façon à réduire au minimum l'inductance du circuit de décharge. Sous les différentes formes qui viennent d'être décrites le perfectionnement essentiel apporté par la présente invention consiste à emmagasiner l'énergie électrique de pompage dans un très grand volume, ce qui-compense la, faible capacité de chaque ligne de propagation. Dans ces conditions, chaque section droite du canal est excitée avec une énergie qui correspond à celle qui était stockée dans la ligne transverse associée et non plus avec une -fraction de l'énergie d'une ligne unique comme c 'était le cas dans les montages antérieurs.En plus de cet avantage important, la structure de l'invention présente celui de permettre l'ajustage de la densité d'inversion de population dans le gaz en face de chaque ligne transverse, en fonction du nombre due photons. incidents au niveau de cette ligne, ce-qui permet d'améliorer encore les performances du laser. A l'excepti.on de la variante représentée sur la figure 5, qui ne nécessite qu'un seul éclateur, tous les autres modes de réalisation décrits utilisent une pluralité d'éclateurs et, par conséquent, posent le problème de la synchronisation des déclenchements. S1 l'on veut se placer dans les conditions les plus avantageuses de l'amplification super-radiante, les instants de déclenchement des éclateurs doivent être réglés de telle sorte que la vitesse de tonde d'excitation le long de l'axe du canal soit au moins égale à la vitesse de la lumière. A cette fin, on peut utiliser, selon l'invention, le montage multiéclateur de la figure 11.Dans ce montage, les lignes transverses de propagation sont désignées encore par les références L1, L2, L3 etc ...; elles sont chargées par la source de tension VO à travers la résistance de protection R . Autant d'éclateurs E E2, E3 ... sont disposés en p parallèle sur- les lignes. Une impulsion électrique 48 de déclenchement, d'amplitude de l'ordre de 2Vo, et de temps de montée inférieur ou égal à 1 ns, est délivrée par un générateur 50 du type générateur de Marx Cette impulsion provoque le déclenchement en cascade des éclateurs. Cependant, au fur et à mesure de sa propagation, l'impulsion 48 voit son énergie progressivement diminuer.Ce montage n'est donc pas valable pour les lasers comprenant un très grand nombre d'éclateurs. Dans le montage de la figure 12, on évite cet incon vénient en plaçant les éclateurs en série et en les reliant par des condensateurs de très faible capacité. Les éléments communs aux fiaures 11 et 12 portent les mêmes références; les condensateurs de liaison portent les références C1, C2 etc -. Pour déclencher le premier éclateur, plusieurs solutions sont prévues par l'invention: a) déclenchement par une impulsion électrique produite par un générateur de Marx (test ce qui est représenté à titre explicatif sur la figure 12); b) déclenchement par une impulsion de laser; c) déclenchement-par un faisceau d'électrons. Suivant un autre mode de réalisation, le montage multiéclateur est déclenché par un faisceau de laser conformément à ce qui est représente sur la figure 13. Sur cette figure les éclateurs E1, E2, E3 sont disposés les uns derrière les autres, dans une enceinte étanche 52, à l'intérieur de laquelle se trouve un gaz sous pression, par exemple de l'azote ou de l'hexafluorure de soufre. Un hublot transparent 54 ferme l'enceinte. Un laser approprié 56 émet un faisceau lumineux 58 focalisé par des moyens non représentés sur les électrodes jouant le rôle de cathode c'est-à-dire, dans le cas de la figure 13, sur les électrodes reliées à la masse.Ces électrodes sont percées en leur centre par une ouverture dont le diamètre intérieur est légèrement inférieur au diamètre de l'ouverture pratiquée dans l'électrode portée à la haute tension, pour que ladite électrode à la haute tension ne porte pas ombre sur l'electrode reliée à la masse. Le déclenchement des éclateurs de ce dispositif progresse avec le rayonnement 58 émis par le laser 56, ce qui assure le synchronisme entre l'onde d'excitation et l'onde lumineuse amplifiée dans le canal, qui est disposé, dans cette variante, parallèlement à l'axe du faisceau 58. Là figure 14 représente un détail du canal d'excita tion et de ses électrodes. Sur cette figure, une pièce métallique 60 dans laquelle sont usinées deux rainures 61 et 62 forme un porte-électrodes Dans les rainures sont disposées autant d'électrodes 64 qu'il y a de lignes de stockage transverses. Ces électrodes sont isolées électriquement les unes des autres par des pièces isolantes non représentées. Le canal est fermé sur ses faces inférieure et supérieure par des plaques isolants 66 et 68. Ces plaques assurent l'étanchéité du canal, ainsi, qu'en dynamique, le découplage électrique entre les deux parties de la pièce 60. Ces parties sont alqrs uniquement reliées par l'extrémité 70 qui équivaut à une inductance suffi sante pour que, pendant la décharge des ligne, s transverses, l'impédance, correspondante soit beaucoup plus grande que celle du canal de gaz. Les -électrodes 64 montées dans les glissières sont facilement interchangeables. Elles peuvent être dégagées ou réengagées par I'extrémLté de la pièce 60.~La forme des électrodes peut être en lame de rasoir ou en pointes ou en stries. Leur disposition, horizontale, verticale ou oblique, et leur composition peuvent être facilement modifiées, grâce à ce montage. L'utilisation d'une structure transversale du stockage de l'énergie associée à des électrodes facilement interchangeables, permet d'optimiser les conditions d'excitation du canal-laser et d'obtenir les trè grandes puissances crête annoncées. REVENDICATIONS 1. Laser à'-z.à excitation transverse, du genre de ceux qui comprennent: - une structure de stockage capacitif d'énergie électrique, constituée par une ligne du type à deux conducteurs-et susceptible de propager une onde TEM, - des moyens de décharge de ladite structure sous la forme de ladite onde, - un canal inséré dans l'un desdits conducteurs et rempli d'un gaz susceptible d'émettre un rayonne ment stimulé après excitation par ladite onde, caractérisé en ce que ladite structure est composée par un empilement de lignes transverses du type lignes plates à deux conducteurs, lesdites lignes étant disposées perpendiculairement à l'axe dudit'canal et excitant chacune une section droite du canal. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ligne a ses bords en forme de courbe stigmatique pour deux points conjugués où sont disposés, d'une part,- lesdits moyens de décharge propres à chaque ligne et, d'autre part, la section du canal à exciter. 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite courbe est une ellipse aux foyers de laquelle sont disposés lesdits moyens de décharge et la section du canal. 4. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de décharge propres à chaque-ligne sont disposés à une des extrémites de la ligne, le canal étant inséré dans l'un desdits conducteurs à un endroit situé -entre les deux extrémltés'de la ligne. 5. Laser selon la revendication 1, caracterisX en ce que le canal est à une des extrémités de la ligne et que les moyens de décharge propres à chaque ligne sont insérées dans l'un desdits conducteurs de ladite ligne 'à un endroit situé entre les deux extrémités de la ligne. 6. Laser selon la revendication I, caracté;isé en ce que, ledit canal étant situé à'une des extrémités desdites lignes, ledit canal est-couplé à la masse--par une première capacité à faible inductance située en face de i 'extrémité desdites lignes. ~7. Laser selon la revendication 6, caractérisé en ce qutune deuxième capacite est connectée en parallèle sur ladite première capacité et reliée à une source de tension continue. 8. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de décharge sont constitués chacun par un éclateur. 9. Laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que les éclateurs sont individuellement déclenchés par l'inter- médiaire d'une électrode de déclenchement, lesdites électrodes de déclenchement étant reliées à une ligne de transmission connectée à un générateur d'imsulsions de déclenchement. 10. Laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits éclateurs sont connectés en série par l'interme- diaire de condensateurs de liaison, le premier éclateur de la série étant déclenché par 1 'un des moyens du groupe qui comprend des moyens électriques, photoniques et électroniques. 11. Laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits éclateurs sont disposés les uns derrière les autres et centrés le long d'un axe rectiligne, l'ensemble desdits éclateurs étant disposé dans une enceinte étanche et en ce que les moyens de declenchement desdits éclateurs sont constitués par un laser émettant un rayonnement lumineux dans ladite enceinte parallèlement audit axe. 12. Laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits éclateurs sont disposés les uns derrières les autres et centrés le long d'un- axe rectiligne, l'ensemble desdits éclateurs étant disposé dans une enceinte étanche et en ce que les moyens de déclenchement sont constitués par des moyens pour injecter dans ladite enceinte un faisceau d'électrons le long dudit axe. 13. Laser selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les instants de déclenchement desdits éclateurs sont tels que la vitesse de phase de l'onde électrique d'excitation dans le canal soit au moins égale à la vitesse du rayonnement stimulé- d,ans l'axe dudit canal.