Brevet FR2247834A1 — publié le 19750509

La présente invention concerne un laser à excimères. En sait que les excimères sont définis comme des formes excitées stables de certaines molécules diatomiques du type dit de Van der Waals, qui sont instables dans leur état fondamental, et se dissocient en deux atomes. Ces propriétés facilitent la réalisation de l'inversion de oopulation nécessaire à l'obtention d'un effet laser. La transition laser a lieu sous forme d'un continum entre les états d'excimères (niveau énergétique supérieur) et un état de retombée (niveau énergétique inférieur) dans lequel les deux atomes se repoussent mutuellement très rapidement, éliminant ainsi tout risque d'encombrement de cet état de retombée et donc de limitation de l'inversion de population. Des lasers connus utilisent des excimères de gaz rares, xénon et argon. Pour former ces excimères, on envoie un flux d'électrons énergétiques "e dans le gaz choisi constitué par les atomes "X". Le processus principal aboutissant à la farmation des excimères comporte les étapes suivantes 1)- ionisation d'un atome de ce gaz par collision avec un électron énergétique, ce qui aboutit à la création d'un atome ionisé X X + e- ) X+ + 2 e- 23- recombinaison avec un électron et création d'un atome excité Xx X + e 3 3)- collision "à trois corps" de l'atome excité avec deux atomes dans leurs états fondamentaux pour donner une molécule excitée métastable X2 xx + 2X - 2 2 4]- collision de la molécule métastable avec un atome pour donner un excimère Xx. 2 X# + X ) Xx + X 2 2 Les excimères ainsi créés constituent la population du niveau énergétique supérieur de la transition utilisée pour l'effet laser, qui comporte ensuite les étapes suivantes 53- désexcitation de l'excimere par émission d'un photon Ph entrainant une dissociation simultanée rapide de la molécule en 2 atomes. Xx ---) 2X 2 C'est cette dissociation qui maintient à une valeur très basse la population de l'état de retombée, c'est-à-dire du niveau énergétique inférieur de la transition utilisée pour l'effet laser, cette population étant constituée par des états collisionnels de durée de vie très courte dont les atomes ont une énergie cinétique donnée. Pour que l'étape 33 soit suffisamment efficace, des pressions supérieures à la pression atmosphérique doivent etre atteintes. On sait en effet que le rendement d'une collision à trois corps ccroit très rapidement avec la pression. En pratique, l'oscillation laser n'a été obtenue que pour des pressions supé rieures à 15 Atm dans le Xénon avec excitation par des canons à électrons très énergétiques, 1 ou 2 MeV par exemple. Cette grande énergie nécessaire pour que le flux d'électrons pénètre suffisamment dans le gaz comprimé oblige à utiliser des canons à électrons couteux. De plus, il faut écarter les fenetres nécessaires pour la sortie du rayonnement, pour leur éviter d'être endommagées par ce flux. Il en résulte qu'une partie du gaz n'est pas utilisable pour l'effet laser, ce qui oblige à choisir un gain élevé pour la partie utilisable et entraîne des risques de super-radiance, c'est-à-dire d'émission désordonnée de lumière sans utilisation de la cavité optique résonnante. On sait d'autre part qu'un abaissement de température au-dessous de la tempé- rature ordinaire permet l'augmentation du rendement de certains lasers, par augmentation de l'inversion de population entre niveaux supérieur et inférieur de la transition laser. Il est connu que cette augmentation d'inversion de population est due à la diminution de la population du niveau inférieur correspondant à l'équilibre thermique entre ce niveau inférieur et un niveau fondamental situé encore au-dessous.Par exemple, dans le cas où le milieu actif est constitué par des ions de néodyme à trois charges positives (Nd3+) on obtient l'effet laser sur la transition J I9,2 3/2 4I9/2 correspondant à la longueur d'onde de 0,94 micromètre, comme indiqué d'un dépeuple- ment du niveau de retombée obtenu par refroidissement, comme indiqué par exemole par R. WALLACE et F. HARRIS tApplied Physic Letters - 15-, 111- 1969). Dans le cas du rubis, le refroidissement à 770K apporte en régime d'impulsion une amélioration de l'inversion de population par diminution de la pooulation -i du niveau de retombée situé à 27 cm au-dessus du niveau fondamental et permet le fonctionnement en continu, qui est impossible à température ordinaire. Ceci est indiqué notamment par I.B. ABELLA et H.Z. CUMMINS (Journal of Npplied Physics, 32-1177-1991). Quant à la population du niveau supérieur, elle est déterminée oar le processus de pompage utilisé, et non par la température. Dans le cas des lasers à excimères, il est évidemment possible d'obtenir une diminution de la population du niveau inférieur par abaissement de la température. Mais l'augmentation de rendement qui en résulte à des pressions de 3 Atm et audessous est très faible et ne justifie pas le coût des moyens de refroidissement qui doivent être mis en oeuvre. Il a été en effet expliqué précédemment que les molécules résultant de la désexcitation des excimères se dissociaient très rapidement. Leur population est donc toujours très faible aux pressions de l'ordre de 3 Atm et au-dessous et il est apparu inutile d'agir sur elle par refroidissement. Ceci résulte notamment d'une étude sur l'absorption du Xénon à la longueur d'onde de la transition laser t1730 Angstroems) publiée par A.V. KOSINSKAIA et L.P. POLOZOVA tOptics and Spectroscopy, 30-458-19711. On sait que l'intensité de l'absorption est d'autant plus grande que la population du niveau inférieur de la transition est grande. C'est d'ailleurs pour éviter une trop grande absorption, incompatible avec l'effet laser, que l'on cherche à minimiser la population du niveau inférieur. L'étude en question montre que quand la température diminue, l'intensité de l'absorption diminue, ce qui est théoriquement prévisible. Elle montre surtout, par extrapolation, que l'absorption est négligeable à 3000K, valant 2 dB/m, à la pression atmosphérique, ce qui correspond à 2 Atm, en vertu du fait connu que l'absorption croit comme le carré de la pression, à une absorption de 6 dB/m. La présente invention permet de remédier aux inconvénients des lasers à excimères connus. Elle a pour objet un laser à excimères comportant - une enceinte contenant un gaz monoatomique propre à former des associations moléculaires diatomiques stables à l'état excité et instables à l'état non excité, - des moyens pour créer un flux d'électrons propre à exciter les atomes et molécules dudit gaz, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de refroidissement pour refroidir le gaz au dessous de moins trente cinq degrès Celsius sous une pression dudit gaz comprise entre 1 et 3 Atmosphères. Bien entendu, dans le cas où le laser selon l'invention est un oscillateur laser, il comporte en outre une cavité optique résonnante dont l'un des miroirs est semi-transparent, ledit gaz étant placé au moins partiellement dans cette cavité. Il a été constaté par l'inventeur que le refroidissement du gaz permettait d'augmenter l'inversion de population dans un rapport surprenant, suffisamment grand pour que la pression puisse être abaissée au-dessous de trois atmosphères tout en permettant une oscillation laser. Il a été expliqué ci-dessus qu'une importante augmentation d'inversion-de population ne pouvait être due, comme dans d'autres types de lasers, à une diminution de la population du niveau de retombée. Elle est donc due à une augmentation de la population d'excimères, c'est-à-dire à une augmentation du rendement de leur processus de formation. Aucune explication satisfaisante de cette augmentation de rendement n'a été trouvée. A l'aide des figures schématiques 1 et 2 ci-jointes, on va décrire ci-après à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention. Ces figures représentent des vues en coupe respectivement par un plan vertical diamétral et par un plan horizontal d'un laser selon l'invention. Ce laser comporte une cavité optique résonnante formée par un miroir concave 2 de rayon de courbure égal à 1 mètre et de diamètre égal à 10 millimètres à une distance de 9 centimètres d'un miroir plan 4 ayant un coefficient de transmission de 3%, et de même diamètre que le miroir 2. Cette cavité optique ferme une enceinte cylindrique 6 à axe vertical faite d'acier inoxydable et remplie, à travers une ouverture latérale 20, de Xénon gazeux sous une pression de deux atmosphères. Sa paroi supérieure 10 est en grande partie constituée d'une feuille de titane d'une épaisseur de 12,5 microns à travers laquelle un canon à électrons 12 envoie dans l'enceinte 6 des électrons d'une énergie de 200 KeV. L'énergie totale injectée peut atteindre 20 Joules -en 10 ns, pour permettre une émission laser. Une partie de la paroi de l'enceinte 6 est refroidie par un conduit 14 à circulation d'azote gazeux. Cet azote gazeux est introduit par un conduit 16 après avoir été lui-même refroidi par de l'azote liquide dans un échangeur non représenté. Un conduit 18 est prévu pour l'évacuation de l'azote gazeux. La température a pu être ainsi maintenue à -600C. Un dispositif du type thermostat non représenté rend cette température constante à 10C près. La paroi inférieure 22 de l'enceinte 6 est constituée par le clapet d'une vanne permettant d'évacuer l'enceinte 6, avant l'introduction du xénon, à travers- une tubulure 24 raccordée à une pompe à vide non représentée. Bien entendu, le clapet 22 est fermé pendant le fonctionnement du laser. Dans ces conditions de température et de pression indiquées ci-dessus, on a pu constater les améliorations suivantes par rapport au fonctionnement, à la température ambiante t+ 250C), plus d'un jour après la mise en place du Xénon, sous une pression de 2 Atm, pour diverses valeurs de l'énergie injectée. En dessous du seuil d'énergie injectée permettant l'émission laser, le rendement de conversion de l'énergie électronique en émission fluorescente vers la longueur d'onde 1730 dans l'ultraviolet lointain passe de 15-20% (250C) à 45-60% (-600C). Il serait passé à 17-22 % si l'amélioration avait été due à la suppression de l'absorption de 8 dB/m précédemment évoquée, c'est-à-dire à l'annulation totale de la population du niveau inférieur. Le seuil d'énergie injectée permettant l'émission laser diminue de 2 à 3 fois. Il aurait été diminué de 10 % environ par la suppression de l'absorption précédemment évoquée. L'énergie laser délivrée est augmentée au moins de deux fois. L'invention permet donc d'obtenir un rayonnement laser ultraviolet dans des conditions simples et avec un rendement très fortement amélioré. REVENDICATIONS 1/ Laser à excimères comportant - une enceinte contenant un gaz monoatomique propre à former des associations moléculaires diatomiques stables à l'état excité et instables à l'état non excité, - des moyens pour créer un flux d'électrons propre à exciter les atomes et molécules dudit gaz, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de refroidissement pour refroidir ledit gaz au-dessous de moins trente cinq degrés Celsius (-350C). sous une pression dudit gaz comprise entre 1 et 3 Atmosphères. 2/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit flux d'électrons présente une énergie comprise entre 100 et 200 keV.