Brevet FR2298204A1 — publié le 19760813

L'invention est relative à un laser ; et elle concerne, plus particulièrement, un laser chimique à HF ou DF excité par combustion, ainsi qu'un procédé pour la production d'une émission laser continue avec un tel dispositif. Des lasers chimiques du type HF ou DF impliquent une réaction avec de l'hydrogène ou du deutérium et du fluor atomique dans un gaz diluant tel que de l'azote, de l'hélium, etc., pour produire des halogénures d'hydrogène et de deutérium. Dans des dispositifs du type dit CW (abréviation de "continuous wave"), l'ef- fet laser intervient sous des pressions inférieures ou au plus égales à environ 20 torrs à partir de molécules de HF ou de DF dans les états vibrationnels excités. Une décroissance passant par des niveaux intermédiaires jusqu'au niveau fondamental de ces molécules excitées HF et DF* engendre un effet laser avec un spectre de sortie variant d'environ 3,6 à 4,C microns pour DF et de 2,6 à 2,9 microns pour HF. Des lasers chimiques à HF et à DF sont bien connus dans la technique antérieure et comprennent des dispositifs tels que celui décrit par J. R. Airey dans le brevet US n" 3.560.876. Le dispositif décrit dans le brevet d'Airey produit du fluor atomique, pour la réaction engendrant l'effet laser, en formant d'abord HC1 et en transférant la chaleur de formation de'HC1 au travers de la paroi d'un tube pour dissocier du fluor moléculaire (F2) en fluor atomique. Initialement, il n'y a pas de contact direct entre le fluor moléculaire et HCl. Ultérieurement, quand le HCl est mélangé et admis à réagir avec le fluor atomique dans la cavité de laser, l'espèce chimique HF génératrice d'effet laser se trouva formée.La réaction globale, dans le dispositif d'Airey, est représentable comme suit pré-cavité cavité de laser Un inconvénient du système d'Airey réside dans le fait qu'il postule seulement une température de combustion d'environ 12 75 'K ; cette température est inférieure à celle qui est nécessaire pour provoquer une dissociation totale du fluor. Un autre inconvénient du système réactionnel d'Airey et de son dispositif est que l'on ne connait pas de matériaux capables de supporter pendant de longues périodes de temps l'effet corrosif du fluor moléculaire et du fluor atomique aux températures de dissociation nécessaires au cours de son stade de transvert de chaleur. Un autre système cité dans le brevet d'Airey se trouve décrit par lui dans l'article "A Superscnic Mixing Chemical Laser", par J.R. Airey et S.F. hacKa- dans Applied Physics Letters, page 4C1 (15 décembre 1969) ; il s'agit d'un tube à chocs utilisé pour produire du fluor atomique, mais qui comporte une limitation en ce qui concerne son utilisation en régime permanent. La valeur de la durée en CW est définie dans la susdite publication comme étant limitée à environ 1,8 milliseconde avec une émission de scrtie à puissance approximativement constante pendant une milliseconde. Des lasers chimiques CW utilisant un arc électrique pnur produire du fluor atomique se trouvent décrits dans la publication "Comparison of HF and DF Continuous Chemical Laser" par Donald J. Spencer, Harold Mirels et Theodore A. Jacobs, dans Applied Physics Letters (15 Mai 1970). Le problème associé au dispositif de Spencer et de ses collaborateurs réside dans le fait qu'une puissance électrique est nécessaire pour fournir l'énergie assurant une dissociation du fluor ; en vue de certaines applications, il est désirable d'avoir à sa disposition un dispositif de plus petites dimensions et de conception plus simple. La présente invention a notamment pour but - de réaliser un laser chimique et un procédé dans lesquels une combustion produit du fluor atomique par suite de la formation d'un mélange intime avec un (et d'une dissociation d'un)composé chimique du fluor - de réaliser un laser chimique, excité par combustgon, sous la forme d'un dispositif de conception simple et d'un faible encom brement - de réaliser un laser chimique, excité par combustion, capable de fonctionner en opération continue à grande puissance - de réaliser un procédé assurant un fonctionnement de type CW de la part d'un laser HF/DF plus particulièrement d'un laser de type transversal. D'autres buts, particularités et avantages de l'invention apparaitront au cours du complément de description qui suit et à l'examen du dessin ci-annexé, lesquels complément et dessin concernent principalement un mode de réalisation de l'invention choisi à titre d'exemple non limitatif et sont, bien entendu, donné surtout à titre d'indication. La figure unique, de ce dessin, représente schématiquement, en coupe longitudinale axiale, un laser chimique à HF/DF réalisé selon l'invention. Conformément à l'invention, on a découvert qu'un laser chimique à HF ou DF, capable de fonctionner en régime continu (type dit CW, abréviation de "continuous wave"), est réalisable sous la forme d'un dispositif dit compact (de faible encombrement) en faisant réagir, dans un organe de combustion, du deutérium ou de l'hydrogène dans un excès de fluor moléculaire (F2) pour produire DF ou HF. La chaleur de réaction provoque une dissociation du fluor principalement en fluor atomique avec une petite proportion de fluor non dissocié (c'est-à-dire de F2) restant.Ces gaz sont tous acheminés depuis l'organe de combustion jusqu'à la cavité de laser et sont encore admis à réagir avec H2 ou D2 additionnel séparément injectés jusque dans la cavité pour former l'espèce chimique génératrice de l'effet laser, à savoir HF ou DF. Pour un effet laser par HF, on utilise DF comme produit dans l'organe de combustion tandis que, pour un effet laser par DF, on utilise HF comme produit dans l'organe de combustion. Dans les deux cas, on évite ainsi l'introduction d'espèces chimiques génératrices d'effet laser dans l'état fondamental jusqu'à la cavité de laser. D'autres composés d'hydrogène et de fluor sont utilisables lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, avec cette condition que les produits formés par l'organe de combustion ne doivent pas manifester une absorption empiétant sur le domaine des longueurs tonde de l'émission laser ni gêner d'une autre manière quelconque les processus qui interviennent dans la cavité et sont responsables de l'effet laser. On peut aussi utiliser des composés autres que des composés d'hydrogène et de fluor comme réactifspour l'organe de combustion en vue de produire du fluor atomique. Ainsi, lors de la mise en oeuvre de l'invention, on peut utiliser un sous-produit de combustion autre que HF ou DF, et on peut injecter des composés de deux éléments (hydrogène et deutérium) jusque dans la cavité pour engendrer un effet de laser simultanément à partir de HF et de DF. La réaction globale est représentable comme suit dans l'organe de combustion : et, à titre de variante: (excès) (excès) dans la cavité de laser (espèce don- (espèce don nant l'effet nant l'effet laser) laser) Après l'effet laser, les gaz sont rapidement éliminés par éjection à partir de la cavité de laser par pompage mécanique, chimique, ou cryogénique. Non seulement le laser chimique faisant l'objet de la présente invention est simple, mais encore il est efficace car il permet d'atteindre facilement une température de réaction supérieure à 1600"K ; à de telles températures, le fluor élémentaire (ou moléculaire) est à peu près ou est totalement dissocié en fluor atomique.Par contre, le laser excité par combustion décrit dans le brevet susmentionné d'Airey postule une température de combustion de seulement environ 1275"K, inférieure à celle requise pour provoquer une dissociation complète du fluor. Etant donné que les stades de combustion et de dissociation peuvent intervenir dans une seule et unique chambre, la conception du laser selon l'invention est bien simplifiée. En outre, étant donné que la réaction de dissociation du fluor ne dépend pas d'un transfert de chaleur au travers de parois, les parois de la chambre de combustion peuvent être refroidies, si on le désire, sans effet nuisible sur la production de fluor atomique. Pour de longues périodes de fonctionnement en régime CW, un refroidissement est, bien entendu, hautement désirable pour éviter une réaction entre le fluor extrêmement corrosif et les parois de l'organe de combustion. En fonctionnement, le laser chimique que représente schématiquement la figure unique du dessin ci-annexé comprend essentiellement un organe de combustion 10 qui comporte des conduits d'entrée 11, 12 et 13 pour amener les réactifs, à savoir hydrogène, deutérium et fluor. Les réactifs peuvent aussi être d'autres composés capables de se combiner exothermiquement conformément aux exigences d'une cavité de laser et une substance contenant un halogénure capable de se dissocier pour produire des atomes d'halogène libres. Des diluants tels que de l'azote, de l'hélium, etc., peuvent être injectés avec ou dans les réactifs en les amenant par les mêmes conduits d'entrée ou par d'autres conduits soit dans l'or /soit Qansia cavité de jaser. Dans l'orqane de combustion./ gane de combustion,/11 se trouve engendré un mélange gazeux d'a- tomes et de molécules d'halogène tels que F et F2. Des serpentins 15 de refroidissemen- par l'eau sont agencés autour de la périphérie extérieure de l'organe de combustion 10 et réalisent, si on le désire, le contact d'une paroi refroidie avec les réactifs présents dans l'organe de combustion.On peut recourir à d'autres techniques de refroidissement, y compris (sans que cette énumération soit limitative) un refroidissement par le l'air et un réchauffage régénératif des réactifs. Des ajutages 16 servant de buses l'injection dans la cavité sont prévus pour que les atomes F et les molécules F2 dans un état chauffé puissent sortir de l'organe de combustion et se combiner avec H2, ou avec D2, ou avec des substances contenant H2 et/ou D2 que l'on injecte directement dans les ajutages 16 pour engendrer des molécules HFict DF vibra- tionnellement excitées. Un collecteur d'échappement 17 est monté centralement et axialement par rapport à l'organe de combustion 10, et définit une cavité de laser 21 située dans le voisinage immédiat des ajutages d'injection 16.Un effet laser intervient le long d'un axe d'émission laser 21a orienté transversalement par rapport au courant d'écoulement gazeux par suite de la réaction entre le fluor atomique (introduit dans la cavité de laser à par tir de l'organe de combustion) et H2 et/ou D2 injectés directe 2 D2 ment dans la cavité de laser par les ajutages 16. Un miroir arrière 22 et un miroir de sortie 23 sont prévus sur des faces opposées de la cavité 21 pour amplifier et émettre un rayonnement produit dans la cavité en raison de la stimulation par HFI et DF*. Le miroir arrière 22 et le miroir de sortie 23 sont des miroirs polis, carrés, mesurant 101,6mm x lC1,6mm, à concavité sphérique de 2,9972 mètres de rayon de courbure et séparés l'un de l'autre par inde distance de 0,762 mètre. Le miroir de sortie 23 comporte un plan optique ayant un coefficient de transmission d'environ 10 X. Le miroir arrière 22 possède un pouvoir réflecteur d'environ 98 X. Bien entendu, il ne faut pas perdre de vue que l'on peut utiliser d'autres configurations optiques, y compris des oscillateurs instables. Dans un fonctionnement typique engendrant un effet laser, D2 ou H2 dans un gaz diluant constitué par de l'azote est continuellement pompé jusque dans l'organe de combustion 10 conjointement avec F2 en excès par rapport à la proportion stoechiométrique. Le mélange résultant, par une réaction du type dit hypergolique, atteint une température comprise entre 16000K et 3000"K à laauelle le fluor en excès se trouve dissocié.Une pression com 2 prise entre 0,56 ou 3,5 kg/cm dans l'organe de combustion est tique. Les gaz s'écoulent ensuite au travers des ajutages d'injection 16, subissant une expansion jusqu'à des vitesses supersoniques jusque dans la cavité de laser 2làl'intérieur de laquelle H2 ou D2 sont injectés, et HFI ou DFF se trouve formé avc pour résultat l'établissement d'une émission laser. Les pressions dans la cavité de laser sont typiquement maintenues à environ 1-20 torrs, de telles valeurs étant convenables pour une émission laser Les températures statiques de l'écoulement supersonique dans la cavité de laser peuvent varier d'environ 200"C à environ 900cl. Généralement, les gaz d'échappement sortant de la cavité de laser sont admis à passer le long du collecteur d'échappement et, si on le désire, dans une portion 24 à section transversale décroissante qui fonctionne à la manière d'un ajutage de Venturi ou d'un diffuseur pour permettre le maintien d'une surpression relative en aval. Les gaz d'échappement peuvent ensuite être déchargés vers l'atmosphère par pompage. A titre de variante, on peut éliminer les gaz d'échappement par une réaction chimique telle qu'une réaction avec du titane, ou par combinaison d'une opération de condensation (pour séparer HF et/ou DF), d'une réaction chimique (pour séparer H2 et D2) et d'une adsaption cryogénique pour séparer l'azote. Une émission laser en régime CW a été obtenue au cours de nombreux essais individuels, dont certains ont été prolongés individuellement au cours d'une période d'une durée de deux heures. La portée de la présente invention s'étend à un laser chimique qui forme du fluor atomique à la suite du mélange intime de produits de combustion chauds avec un composé de fluor qui se dissocie alors, plutôt que par un transfert de chaleur au travers de parois chauffées à de hautes températures (comme dans le dispositif d'Airey) ou par production d'un arc (comme dans le dispositif de Spencer et al.). Non seulement ce mode de fonctionnement élimine l'excitation à l'aide d'un arc, mais encore il élimine aussi es difficultés que l'on éprouve à agrandir l'échelle d'un dispositif à arc quand on veut réaliser des puissances d'émission plus grandes. Le laser excité par combustion selon l'invention ne dépend donc pas d'un transfert de chaleur au travers de parois portées à de hautes températures. Un fonctionnement en régime continu (Cw) est réalisable pendant des périodes de temps d'une durée considérable avec des matériaux connus et en ayant recours à des techniques également connues pour refroidir les parois du réac teur. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné ci-dessus, la mise en oeuvre de l'invention permet une conception plus simple de l'appareilage ainsi qu'une diminution des dimensions globales et du poids total de l'ensemble. Le dispositif selon la présente invention permet donc de réaliser un laser chimique excité par combustion ainsi qu'un pro cédé de production d'une émission laser permettant de poursuivre une telle-émission pendant des périodes de temps de longue durée en régime continu (CW) et à de grandes puissances sans rencontrer les problèmes gênants associés au fonctionnement d'un arc électri que ou à des exigences de transferts de chaleur. De tels perfec tionnements permettent à leur tour de simplifier le dispositif et aussi de refroidir facilement certains emplacements critiques. En fait, les puissances d'émission sont significativement améliorées, et le fonctionnement en régime continu (CW) est également amélior de plusieurs ordres de grandeur. - REVENDICATIONS 1. - Laser chimique caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement, en combinaison : un organe de combustion ; des conduits individuels pour amener séparément des réactifs, des diluants et un composé de fluor jusqu'à l'organe de combustion pour former du fluor atomique et des sous-produits à base de fluor à la suite d'une réaction hypergolique ; une cavité de laser ; des moyens d'amenée pour introduire du fluor atomique et les sous-produits provenant de l'organe de combustion jusque dans la cavité de laser ; des moyens pour injecter de l'hydrogène et du deutérium dans la cavité de laser ; et des moyens pour éliminer des réactifs à partir de la cavité de laser. 2. - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité d'émission laser est transversale par rapport au courant d'écoulement de gaz. 3. - Laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de refroidissement pour l'organe de combustion. 4. - Laser chimique, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement, en combinaison : un organe de combustion ; des conduits individuels pour amener séparément des diluants, de l'hydro- gène, du deutérium et du fluor moléculaire en excès jusqu'à l'organe de combustion afin de réaliser la formation d'un mélange de ces substances et d'effectuer des réactions dans ledit organe de combustion, la réaction entre l'hydrogène, le deutérium et le fluor moléculaire en excès étant hypergolique et aboutissant à la production de fluor atomique ; une cavité de laser ; des moyens d'amenée pour introduire des réactifs, provenant de l'organe de combustion, dans la cavité de laser ; des moyens pour injecter de l'hydrogène ou du deutérium jusque dans la cavité de laser ; et des moyens pour éliminer des réactifs à partir de la cavité de laser. 5. - Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cavité d'émission laser est transversale par rapport au courant d'écoulement de gaz. 6. - Laser, selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de refroidissement pour l'organe de combustion. 7. - Procédé pour la production d'une émission laser en régime continu (de type dit CW) à partir d'un laser chimique, le quel procédé est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement : à amener d'une manière continue et à mélanger, dans une chambre ce combustion, un composé de fluor et des composés capable de participer à une réaction hypergolique exothermique, le composé de fluor se décomposant pour former du fluor atomique : à amener le fluor atomique jusqu'à une chambre de cavité de laser à faire réagir le fluor atomique avec de l'hydrogène, du deutérium ou des mélanges de ces éléments dans la cavité de laser pour former HF* et DF* et établir une émission laser ; et à éliminer les réactifs à partir de la cavité. 8. - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on amène un diluant inerte jusque dans ladite chambre de combustion et on le mélange avec les réactifs. 9. - Procédé selon la revendication 7 ou 8,caractérisé en ce que l'on refroidit ladite chambre de combustion. 10. - Procédé pour faire fonctionner un laser chimique en opération continue, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement : à amener d'une manière continue et à mélanger, dans une chambre de combustion, de l'hydrogène ou du deutérium dans un excès, par rapport à la proportion stoechiométrique, de fluor moléculaire pour former du fluorure d'hydrogène ou de deutérium et du fluor atomique à une température supérieure à î6oo'K ; à acheminer le fluor atomique jusqu une cavité de laser ; à faire réagir le fluor atomique, dans la cavité de laser, avec de l'hydrogène ou du deutérium pour produire HFS ou DFa et à éliminer les réactifs à partir de la cavité. 11. - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on åmèneXun diluant inerte jusque dans ladite chambre de combustion et on le mélange avec les réactifs. 12. - Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'on refroidit ladite chambre de combustion.