Brevet FR2258722A1 — publié le 19750818

L'invention concerne un dispositif laser à flux gazeux dans lequel le milieu optiquement actif est constitue par un flux d'un premier gaz, du gaz carbonique par exemple, excité par interaction moléculaire avec un deuxieme gaz, de l'azote par exemple, lui-meme préalablement excité par une décharge électrique. De tels dispositifs laser sont notamment utilisables pour le découpage et la soudure de matériaux divers. On connaît, par exemple par une publication de MM. Lavarini, Bettini, Cran çon et Michon "Laser à, excitation électrique et détente adiabatique" -Comptes rendus à l'Académie des Sciences de Paris t. 272 p 335-338, 1 février 171-, des générateurs lasers dans lesquels on produit une décharge électrique dans de l'azote, animé d'une très grande vitesse et on mélange ce premier gaz à du gaz carbonique dans une chambre de mélange dans laquelle est disposée une cavité optique résonnante. La décharge électrique a pour effet de fournir à l'azote une énergie d'excitation qui est transférée au gaz carbonique par intéraction moléculaire lors du mélange.Le déplacement rapide du mélange dans la chambre de mélange lui fait atteindre la cavité optique avant la désexcitation du gaz carbonique, ce qui permet à ce dernier à une émission de lumière stimulée au sein de la cavité optique, c'est-à-dire une émission laser. L'énergie vibrationnelle de l'azote se transfert sur un mode de vibration du gaz carbonique en créant ainsi l'inversion de population entre deux niveaux vibrationnels de ce gaz. Une cavité optique permet d'entrainer l'énergie laser disponible. Dans le but d'obtenir des décharges électriques puissantes et homogènes dans l'azote, et d'obtenir de ce fait des émissions lasers de forte puissance, on réalise cette décharge dans des tubes alimentés en azote sous pression et appelés capillaires parce que leur section est suffisamment faible pour que la décharge l'emplisse toute entière sans former d'arcs filamentaires. Les parois de ces tubes sont isolantes et sont traversées par une électrode amont et une électron aval entre lesquelles la décharge est établie. Une tuyère convergente-divergente est disposée à la sortie de ces tubes capillaires de manière à donner au flux d'azote une vitesse suffisante avant son mélange avec le gaz carbonique pour que le-mélange obtenu atteigne la cavité optique avant la désexcitation du gaz carbonique. Malgré l'homogénéité de la décharge électrique réalisée dans l'azote, le rendement énergétique du processus d'excitation du gaz carbonique ainsi réalisé est encore très inférieur aux valeurs souhaitables. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif laser à rendement énergétique accru, Exile a pour objet un dispositif laser de puissance à flux gazeux comportant: - au moins une tuyère dont la paroi est électriquement isolante et, de l'amont vers l'aval fore une entrée, une partie convergente, un col-de section mini male, une partie divergente; et une sortie - des moyens d'alimentation de l'entrée de ladite tuyère en au moins un premier gaz susceptible d'être excité par une décharge électrique, - une électrode amont traversant la paroi de ladite tuyère et une électrode aval placée au voisinage de la sortie de cette tuyère sur le trajet dudit premier gaz, - une source de courant électrique connectée auxdites électrodes pour créer une décharge électrique dans ledit premier gaz dans ladite tuyère, - une chambre de mélange dans une paroi de laquelle débouche la sortie de ladite tuyère, cette paroi étant munie en outre d'au moins un orifice d'injection d'au moins un deuxième gaz susceptible d'être excité par interaction moléculaire avec ledit premier gaz préalablement excité - des moyens d'alimentation dudit orifice d'injection en au moins ledit deuxième gaz, - des moyens optiques pour faire passer dans une région de ladite chambre de mélange au voisinage de ladite paroi une lumière susceptible d'être amplifiée par ledit deuxième gaz préalablement excité, et pour laisser sortir de cette chambre au moins une partie de la lumière ainsi amplifiée, - des moyens d'évacuation pour évacuer lesdits gaz de ladite chambre de mélange au delà de ladite région, caractérisé par le fait que ladite électrode amont est placée dans ladite partie divergente de la tuyère, en aval et au voisinage dudit col. A l'aide de la figure schématique unique ci-jointe, on va décrire ci-après, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention. Cette figure représente une vue en coupe d'un dispositif selon l'invention. Ce dispositif comporte une chambre de tranquilisation 2 dont les parois sont constituées de chlorure de polyvinyle, et qui constitue les "moyens d'alimentation en un premier gaz" précédemment mentionnés. Cette chambre 2 reçoit par une tuyauterie 4, de l'air sous une pression de 300 torrs. L'azote contenu dans cet air constitue le premier gaz précédemment mentionné. 348 tuyères identiques entre elles sont disposées parallèlement les unes aux autres en 4 nappes parallèles au plan de la figure. Une seule d'entre elles, la tuyère 6, sera décrite ci-après, et les indications données à propos de cette tuyère seront valables pour toutes les autres. Cette tuyère 6 est formée par une paroi de quartz ou de verre à faible dilatation thermique tel que connu sous le nom de "Pyrex" et comporte une entrée tubulaire 8 d'une longueur de 150 mm et d'un diamètre intérieur de 7 mm engagée de ma nière étanche dans un orifice d'une paroi 10 de la chambre 2, cette paroi étant perpendiculaire à l'axe de cette tuyère. Cette entrée tubulaire est suivie d'une partie convergente 12 se terminant par un col 14 dont le diamètre intérieur est de 2,5 mm. A partir du col 14 se trouve une partie divergente, d'une longueur de 230 mm, dans laquelle le diamètre intérieur croit jusqu'à 6 mm, et qui se raccorde à une sortie tubulaire 18 de 100 mm de longueur et de 7 mm de diamètre intérieur. Conformément à l'invention, une-électrode amont 20, constituée de tungstène, pénètre dans la partie divergente 16 de la tuyère 6, à 30 mm du col 14, par un bulbe 22 de 30 mm de hauteur radiale à partir de la paroi de la tuyère vers l'intérieur, et de 3 mm de diamètre environ. Une électrode aval est constituée par une paroi métallique 24, constituée de laiton ou de cuivre, perforée de trous dans chacun desquels s'engage de manière étanche la sortie tubulaire d'une tuyère telle que 6, en starretant dans l'épaisseur de cette paroi de manière à ce que la partie de la paroi de chacun de ces trous non recouverte par cette sortie tubulaire soit en contact électrique avec le flux gazeux sortant de la tuyère.Chacune des électrodes amont telles que 20 constitue une anode et est connectée à travers une résistance de stabilisation et de découplage telle que 26 d'une valeur de 200 à 300 kiloohms environ, à la borne positive d'une source de courant électrique 28 qui maintient une tension de l'ordre de 30 à 50 kV entre cette borne positive et sa borne négative qui est connectée à la plaque métallique 24 qui constitue une cathode. Les pressions à l'entrée et à la sortie des tuyères telles que 6, et la tension de la source 28 sont réglées de-manière à établir dans chaque tuyère une décharge d'environ 60 m A sous 10 à 14 kV, la vitesse du gaz- correspondant à un nombre de Mach n = 1 au col 14, M 1,7 à l'électrode 20, le nombre de Mach diminuant ensuite en raison de l'échauffement dû à la décharge malgré l'accroissement de vitesse, et atteignant M = t environ à la sortie de la tuyère. Un système de ventilation 30 refroidit les tuyères telles que 6 par air forcé, la plaque métallique 24 étant refroidie par circulation d'eau dans un circuit non représenté. L'air sortant des tuyères telles que 6 pénètre dans une chambre de mélange 32, de forme voisine de celle d'un parallélipipède rectangle. Une de ses parois est la paroi 24. L'autre paroi parallèle à la paroi 24 à une distance de 285 mm comporte une tubulure d'évacuation 34 raccordé à une pompe non représentée, maintenant dans la chambre 32 une pression de l'ordre de 50 torrs avec un débit de 10.000 m3/h. Les deux parois non représentées et approximativement parallèles au plan de la figure divergent en fait chacune avec un angle de 100 à partir de la plaque 24, de telle sorte que la hauteur de la chambre 32 est de 50 mm au voisinage de la plaque 24 et de 100 mm à l'entrée de la tubulure d'évacuation 34. Les deux autres parois 33 et 35 sont perpendiculaires à la fois au plan de la figure et à la plaque 24. Elles sont distantes de 2 m environ et constituées d'un alliage d'aluminium. Autour de chacune des sorties des tuyères telles que 6 la plaque 24 est percée de 8 orifices d'injection tels que 36 d'un diamètre de 2,5 mm régulièrement répartis à une distance de 1 mm du bord du trou, et faisant communiquer la chambre de mélange 32 avec une chambre d'injection 38, dont une première paroi est constituée par la paroi 24 et dont une deuxième paroi 38 est parallèle à la première et percée de trous à travers lesquels les tuyères telles que 6 passent avec raccordement étanche de cette deuxième paroi avec la surface extérieure de la paroi de ces tuyères.La chambre d'injection 38 est alimentée par une tubulure 42 en un mélange de gaz carbonique et de vapeur d'eau sous une pression de 1000 torrs environ, à température ambiante de telle sorte que le débit de gaz carbonique soit de 9 % environ du débit de gaz total pénétrant dans la chambre 32, et que le débit de vapeur d'eau soit de 2 % environ de ce même débit total. Le gaz carbonique constitue le deuxième gaz précédemment mentionné, les "moyens d'alimentation en ce deuxième gaz"~étant constitués par la chambre 38 et la tubulure 42. La présence d'eau augmente, de manière connue, le rendement du processus laser. Le gaz carbonique et la vapeur d'eau se mélangent très rapidement à l'air excité sortant des tuyères telles que 6, le mélange prenant une température de 5000 K environ. Le rendement énergétique d'excitation du gaz carbonique est amélioré selon l'invention, par le fait que l'azote excité par la décharge électrique ne perd pas partiellement son état excité par rencontre de la paroi de la partie convergente 14 de la tuyère 6.Ceci est rendu possible par le fait que la partie divergente 16 et la sortie 18 sont suffisamment longues pour que la décharge électrique puisse assurer une excitation convenable tout en donnant a l'air une vitesse suffisante à son entrée dans la chambre de mélange 32. Au voisinage immédiat de la plaque 24, et des parois 33 et 35, et parallèlement à ces dernières sont disposés deux miroirs 44 et 46, respectivement, constitués de cuivre. Le miroir 44 est plan, avec un diamètre de 100 mm, et percé d'un trou central de 40 mm de diamètre. Le miroir 46 est concave, avec un rayon de courbure de 40 m et un diamètre de 100 mm. On constitue ainsi une cavité optique résonante stable permettant la naissance et l'amplification d'une oscillation laser au sein du gaz carbonique excité. La lumière ainsi produite sort à travers le trou du miroir 44 et un hublot 48 percé dans la paroi 33 et constitué de chlorure de sodium. Ce hublot pourrait etre remplacé par une fenetre aérodynamique de type connu. On constitue ainsi un oscillateur laser, mais on pourrait ne pas utiliser de cavité optique résonante et utiliser le dispositif selon l'invention en amplificateur laser en faisant passer la lumière à amplifier au voisinage de la paroi 24. REVENDICATIONS 1/ Oispositif laser de puissance à flux gazeux comportant - au moins une tuyère (6) dont la paroi est électriquement isolante et forme, de l'amont vers l'aval, une entrée t8), une partie convergente (12), un col (14) de section minimale, une partie divergente t16) et une sortie t18) - des moyens d'alimentation [2) de l'entrée de ladite tuyère en au moins un premier gaz susceptible d'être excité par une décharge électrique - une électrode amont (20) traversant la paroi de ladite tuyère t6) et une électrode aval t243 placée au voisinage de la sortie de cette tuyère (16) sur le trajet dudit premier gaz - une source de courant électrique (28) connectée auxdites électrodes (20, 24) pour créer une décharge électrique dans ledit premier gaz dans ladite tuyère (6), - une chambre de mélange t32) dans une paroi t24) de laquelle débouche la sor tie de ladite tuyère (6), cette paroi t243 étant munie en outre d'au moins un orifice d'injection (36) d'au moins un deuxième gaz susceptible d'etre excité par interaction moléculaire avec ledit premier gaz préalablement excité - des moyens d'alimentation (38, 42) dudit orifice d'injection (36) en au moins ledit deuxième gaz - des moyens optiques (44, 46, 483 pour faire passer dans une région de ladite chambre de mélange t323 au voisinage de ladite paroi t24) une lumière suscep tible entre amplifiée par ledit deuxième gaz préalablement excité, et pour laisser sortir de cette chambre au moins une partie de la lumière ainsi am pli fiée - des moyens d'évacuation t343 pour évacuer lesdits gaz de ladite chambre de mélange au delà de ladite région, caractérisé par le fait que ladite électrode amont 20) est placée dans ladite partie divergente (16) de la tuyère (6), en aval et au voisinage dudit col(14). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite paroi (24) de la chambre de mélange (32) est métallique et épaisse et constitue ladite électrode aval, ladite sortie (la) de la tuyère étant engagée de manière étanche dans une ouverture percée dans cette paroi t24) sans atteindre la face interne de cette paroi t243. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte p-lusieurs tuyères telles que ladite tuyère (6) et débouchant toutes dans la même dite chambre de mélange (32), l'électrode amont t20) de chacune de ces tuyères (6) étant reliée à travers une résistance de stabilisation t263 à la borne posi tive de ladite source de courant électrique (28), dont la borne négative est reliée\à ladite paroi métallique (24) de la chambre de mélange (32). 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérise par le fait que plusieurs dits orifices d'injection t363 sont régulièrement répartis autour de la sortie de chacune desdites tuyères (6), ces orifices traversant ladite paroi métallique (24) de la chambre de mélange (323 et faisant communiquer cette chambre de mélange t323 avec une chambre d'injection [363 dont une première paroi est constituée par ladite paroi métallique t243 et dont une deuxième paroi (40) est parallèle à la première et est percée de trous à travers lesquels lesdites tuyères (6) passent avec raccordement étanche de cette deuxième paroi (40) à la surface extérieur de la paroi de ces tuyères (6), cette chambre d'injection (38) étant une partie desdits moyens d'alimentation en ledit deuxième gaz.