Brevet FR2324135A1 — publié le 19770408

Les émetteurs optiques connus jusqu'ici fonctionnent de manière telle qu'un mélange de gaz, par exemple de N2, C02, He est réchauffé sous l'action de réactions chimiques, est, après avoir passé par une chambre de résonateur, recueilli par l'intermédiaire d'un diffuseur et est ensuite évacué vers l'atmosphère extérieure à l'aide d'un système de pompes coûteux. On connaît également des laser gazdynamiques à circuit de gaz fermé, dans lesquels le gaz en expansion est refoulé à l'aide d'un compresseur (voir AIAA-Journal, VI. lO, NO 4). Le fonctionnement des lasers gaz-dynamiques est en général basé sur le fait que le gaz, qui à l'origine se trouve en équilibre thermodynamique, est fortement refroidi par expansion rapide. Lorsque toutes les conditions nécessaires connues sont satisfaites, il s'établit une inversion de population dans le gaz en circulation, de telle sorte que, si un résonateur optique est disposé en tant que moyen auxiliaire supplémentaire, il peut s'établir un rayonnement laser. Toutefois, en comparaison avec les dépenses nécessaires pour la mise en circulation du gaz, le rendement de ces émetteurs connus est trop faible pour des machines susceptibles d'être employées dans la pratique. Les considérations exposées ci-dessous permettent d'envisager la création d'un émetteur ayant un rendement suffisamment élevé pour des applications industrielles. Contrairement à tous les autres lasers, dont la production de l'inversion de population nécessaire est due au rayonnement lumi neux, à l'énergie d'excitation des molécules nouvellement formées dans les réactions chimiques ou à des chocs d'électrons, le laser gaz-dynamique doit être considéré comme une machine motrice thermique, qui transforme une partie de l'energie thermique d'un mélange de gaz se trouvant en équilibre thermodynamique en un rayonnement électromagnétique cohérent.Il tombe dès lors sous le sens d'adopter, pour le laser gaz-dynamique également, un cycle de travail fermé et d'appliquer les relations découlant du deuxième principe de la thermodynamique pour des machines motrices thermialles a fonc tionnennent périodique à cet effet, c'est-a-dire de formuler un cycle idéal de Carnot pour le laser gaz-dynamique. Le mélange de gaz enfermé dans un récipient de volume V1 est porté à la température T1. L'énergie thermique apportée est distribuée parmi ies trois degrés de liberté de la translation et les deux degrés de liberté de la rotation (dans le cas de molécules diatomiques et de molécules triatomiques linéaires) ainsi qu'â l'excitation partielle d'états de vibration. Seule la dernière quotité d'énergie E2 importe pour le fonctionnement du laser ; il découle de la statistique des quanta que dans laquelle WA désigne l'énergie de l'état de vibration correspondant et Ng le nombre total des molécules susceptibles d'être excitées. Dans l'hypothèse idéale, selon laquelle lors du refroidissement, l'énergie d'excitation de l'état de vibration supérieur peut être entièrement gelée, il est possible de récupérer la fraction en tant qu'énergie de rayonnement ; hvL désigne l'énergie quantique de rayonnement, qui est en général inférieure à WA, étant donné que la transition n'a généralement pas lieu vers l'état de base. Le rendement idéal est donc de Dans le cas d'un laser CO2, le nombre de molécules No contenu dans l'équation (1) couvre les molécules de CO2 et de N2 > et en général ces dernières sont en nombre largement supérieur. Lors du calcul des quotités de translation et de rotation, il y a lieu de tenir compte, outre les molécules qui viennent d'être citées, encore d'autres molécules ou atomes présents ; il y a lieu de prendre en considération à cet effet soit le He (proportion 20-7 %), soit le H20 (proportion 1 à 3 %). Le gaz évacué passe dans le réservoir collecteur ayant un volume V2. En vue de la formulation d'un processus de cycle de Carnot, le déroulement de travail du laser gaz-dynamique, lequel sous l'angle purement dynamique est caractérisé par le passage du volume V1 au volume V2, doit être complété par l'addition d'autres cycles de travail de manière telle qu'en fin de compte, l'état d'origine V1, T1 soit de nouveau atteint. Cela peut avoir lieu au moyen d'une succession de quatre processus de la manière suivante 1. Par une expansion isothermique avec découplage du rayonnemert; 2. Par une expansion adiabatique supplémentaire jusqu'au volume V3 (température T3); 3. Par compression isothermique jusqu'au volume V4 ; 4. Par compression adiabatique jusqu'à l'état d'origine. Par le calcul quantitatif des quatre pBcessus, on obtint comme rendement de la machine à fonctionnement périodique dans laquelle Tres désigne la température du gaz dans le résonateur (environ 3000 - 4000 K) et q désigne un coefficient de proportionnalité, qui exprime l'accroissement de la pression du gaz produit par le diffuseur. Il résulte de l'équation (4) que le rendement d'un laser gazdynamique, à fonctionnement périodique, tout comme celui d'autres machines motrices thermiques, se rapproche de 1, lorsque la température finale T3 se rapproche du zéro absolu. Il en est de meme lorsque se rapproche de Xt max Pour une machine réalisable dans la pratique, le cycle idéal de Carnot constitue un modèle souhaitable ; dans les détails, il faut toutefois prendre en considération es écarts La séparation nette en mouvements purement adiabatiques et purement isothermiques n'est guère possible dans la pratique. Il faut cependant veiller à ce que l'émetteur optique suivant l'invention fonctionne toutefois, au moins en principe, suivant le cycle de Carnot. Après que, dans l'introduction, il a été expliqué l'utilisation du terme "machine motrice thermique" pour le laser gaz-dynamique, la conception de l'émetteur suivant l'invention est basée sur le type de construction ayant fait ses preuves d'une telle machine, à savoir une machine à piston mobile. Les considérations qui sont à la base de l'idée inventive révèlent que les mouvements nécessaires du gaz de travail ne peuvent être atteints qu'avec l'aide de deux pistons. Dans l'émetteur optique suivant l'invention, il est donc fait appel à un cycle fermé, dans lequel le gaz de travail est enfermé entre deux pistons dans deux cylindres communicants, les pistons étant mus l'un relativement à l'autre, par l'intermédiaire de tringleries traditionnelles comprenant chacun un vilebrquin, dont les mouvements de rotation sont accouplés, la communication entre les cylindres étant réalisée par l'intermédiaire d'un obturateur commandé, d'un système de tuyères de Laval pour l'expansion du gaz de laser, d'une chambre de résonateur avec des miroirs et des fenêtres pour la production et le découplage du rayonnement laser et d'un diffuseur pour la récupération partielle de la pression du gaz. Les vitesses de rotation des vilebrequins sont différentes et le piston à fréquence la plus élevée est disposé dans le cylindre, qui se raccorde au diffuseur. De préférence, les vitesses de rotation des vilebrequins sont dans le rapport 1 : 2. Les positions momentanées des pistons ou des vilebrequins présentent un déphasage en ce sens que lorsque le piston lent occupe le point mort intérieur, le piston rapide a déjà quitté son point mort intérieur et se trouve sur le trajet entre le point mort intérieur et le point mort supérieur (voir le dessin). Par ailleurs, les courses des pistons sont de préférence de longueurs différentes. Ces mesures ont pour objectif de produire des mouvements fonctionnellement exacts du gaz de travail entre les cylindres. Etant donné que les organes de liaison mentionnés plus haut entre les deux cylindres offrent une résistance considérable à ltecoulement, il est prévu, aux fins d'un retour plus aisé du gaz de travail du deuxième cylindre vers le premier cylindre, une canalisation de dérivation avec des soupapes commandées. Pour que l'émetteur de la construction ci-dessus décrite puisse etre mis en service, l'un des vilebrequins est équipé d'un moyen d'entraînement extérieur. Celui-ci peut être constitué par le fait que le cylindre contenant le piston le plus lent est prolongé audelà de sa face extérieure et y constitue la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne servant de moyen d'entraînement pour l'émetteur. Il est évident que tous autres moyens d'entraîne- ment connus peuvent être utilisés. Dans le cas où une paire de cylindres ne serait pas suffisante pour la production de l'énergie souhaitez ou nécessaire, plusieurs cylindres peuvent être disposés à la manière d'un moteur à cylindres horizontaux opposés, en V ou en étoile, autour d'un des vilebrequins en tant que point central. Dans ce cas on peut également disposer côte à côte plusieurs paires de cylindres avec des pistons entre deux vilebrquins coudés conformément au nombre de paires de cylindres. Le dessin représente dans sa figure unique schématiquement une forme de réalisation préférée de l'émetteur optique suivant l'invention. Les chiffres de référence 1, 1' et 2, 2' désignent les deux pistons et les cylindres associés, les chiffres de référence 1" et 2" désignent les bielles correspondantes. Le piston 1 refoule le gaz de travail au travers d'un obturateur commandé 3 et d'une tuyère de Laval 4 dans une chambre de résonateur 5 avec miroir et fenêtres 6 pour le découplage et l'émission du rayonnement laser. De la chambre de résonateur, le gaz passe par un diffuseur 7 dans le cylindre 2. Le diffuseur produit une récupération partielle de la pression de gaz. Cette installation fonctionne de la manière suivante L'état initial du gaz de travail caractérisé par les grandeurs d'état T1 V1, P1 est atteint par compression adiabatique au moyen du piston 1, un peu avant le point mort intérieur de celuici. A cet instant, l'ouverture de l'obturateur 3 permet l'Ecoule- ment du gaz. Il importe à cet égard que pendant le court laps de temps s'écoulant entre l'ouverture ede l'obturateur et le passage du piston 1 par le point mort intérieur, le piston 2 libère un volume considérable.A cet effet, il ne suffit pas que le cylindre 2' ait une section transversale supérieure à celle du cylindre 1' > mais il faut en outre que le vilebrequin raccordé au piston 2 tourne à une vitesse plus grande que le vilebrequin raccordé au piston 1, et il faut prévoir au surplus un déphasage approprié de la position instantanée des deux pistons. La course vers l'extérieur du piston 2 a pour conséquence une expansion supplémentaire du gaz, jusqu'à ce que le piston 2 atteint son point mort extérieur. Dans cette situation, le gaz occupe le volume V3. A cet instant, l'obturateur 3 étant ouvert, débute le retour du gaz, du cylindre 2'vers le cylindre 1'. Ce phénomène est facilité par une canalisation de dérivation 8 avec des soupapes commandées 9, étant donné que de la sorte, la résistance considérable des organes de liaison entre les pistons est évitée. Lorsque le piston 2 passe par le point mort intérieur, l'obturateur 3 est fermé. Le gaz se trouvant alors dans sa totalité dans le cylindre 1' subit, pour commencer3 encore une expansion, jusqu'à ce que le piston 1 ait, lui aussi, atteint le point mort extérieur.Cette situation, pour laquelle le gaz occupe le volume V4, correspond à l'état 4 du cycle idéal de Carnot. Suit maintenant la course de compression du piston 1, jusqu'à ce que se rétablisse l'état d'origine avec le volume V1. (Pour une température T1 y 12000 - 13000 K, le rapport de compression est d'environ 1 : 40. Etant donné que les organes de liaison entre les cylindres font fonction, de la meme manière que pour un moteur à combustion interne, d'espace mort, il y a lieu de veiller, lors de l'étude d'une forme de réalisation susceptible de fonctionner, à maintenir ces volumes aussi petits que possible. A cet objectif contribue également la disposition de soupapes aux deux extrémités de la canalisation de dérivation). Pour le dimensionnement des cylindres et le calcul du rendement susceptible d'être obtenu, il y a lieu de procéder à une observation quantitative des phénomènes intéressés lors du cycle de Carnot Selon l'équation (4), le rendement est déterminé par les grandeurs de proportion T1/T3 et . Dans le cas idéal, le rapport des températures est certes déterminé par la température initiale résultant des conditions physiques et par la température extérieure ; toutefois, la question de savoir si, dans la pratique, le gaz de travail peut être refroidi jusqu'à la température extérieure est une question qui est fonction de la construction, car le rapport de températures T1/T3 susceptible d'être réellement 3- atteint est fonction, en vertu de l'équation adiabatique, du volume. On obtient donc pour le rendement g une relation qui dépend uniquement d'une part des grandeurs physiques susceptibles d'être définies, telles que la tempétature initiale T1 et la température de gaz Tres dans le résonateur du laser, et d'autre part de deux grandeurs techniques, à savoir les deux volumes V1et V3 Le volume V3 définit la grandeur du cylindre 2', et étant donné que ce volume est largement supérieur à celui du cylindre 1', également la taille de l'ensemble de la machine. i Le rapport découle de la relation suivante (5) Dans le tableau ci-dessous, il est indiqué ce rapport pour un rapport volumétrique V3/ V1= 243 caractérisant la construction, avec référence à différentes valeurs du paramètre 0 # 1. On s'est basé sur T1/Tres = 4 et T1 : 12000 K. 0( E 1 o,g 5 2,5 10 4,2 On peut constater que le paramètre &alpha; présente une très grande importance C'est seulement lorsqu'à l'aide d'un diffuseur efficace, la pression du gaz au-dessus du piston 2 devient sensiblement supérieure à la pression dans le résonateur que l'on peut obtenir avec des dépenses de construction raisonnables le rendement élevé désiré. Une augmentation de pression d'un facteur de 10 est absolument possible dans la pratique, ae telle sorte que ce problème peut être résolu de manière satisfaisante. REVENDICAT IONS 1. Emetteur optique, comprenant un laser gaz-dynamique à pulsion périodique, avec un circuit de gaz de travail fermé, par exemple un mélange d'azote, d'anhydride carbonique (CO2) et d' hélium, caractérisé en ce que la gaz de travail est enfermé dans deux cylindres communicants (1', 2') entre deux pistons (1,2) appartenant chacun à un cylindre et mus relativement l'un par rapport à l'autre, les pistons étant chacun en liaison avec un vilebrequin dont les mouvements de rotation sont accouplés, et en ce que la liaison a lieu par l'intermédiaire d'un obturateur commandé (3), d'un système de tuyères de Laval (4) pour l'expansion du gaz de laser, d'une chambre de résonateur (5) avec des miroirs et des fenêtres (6) pour la production et le découplage du rayonnement laser et par un diffuseur (7) pour la récupération partielle de la pression du gaz. 2. Emetteur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les vitesses de rotation des vilebrequins sont différentes et en ce que le piston (2) avec la fréquence plus élevée est disposé dans le cylindre (2') qui se raccorde au diffuseur (7). 3. Emetteur optique selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les vitesses de rotation des vilebrequins sont dans le rapport de 1 : 2. 4. Emetteur optique selon l'une quelconque des revendications de 1 à 3, caractérisé en ce que les mouvements des pistons ou des vilebrequins sont déphasés de manière telle que lorsque le piston rapide (2) occupe son point mort intérieur, le piston lent (1) a déjà quitté son point mort intérieur et occupe une position de sa course entre le point mort intérieur et le point mort extérieur. 5. Emetteur optique selon l'une quelconque des revendications de 1 à 4, caractérisé en ce que les pistons ont de préférence des courses de longueur différente. 6. Emetteur optique selon l'une quelconque des revendications de 1 à 5, caractérisé en ce que pour faciliter le retour du gaz du cylindre 1' vers le cylindre 2', une canalisation de dérivation (8) avec des soupapes commandées (9) est prévue. 7. Emetteur optique selon l'une quelconque des revendications de 1 à 6, caractérisé en ce que pour l'exploitation de l'émetteur, un des vilebrequins est muni d'un moyen d'entraînement extérieur. 8. Emetteur optique selon l'une quelconque des revendications de 1 à 7, caractérisé en ce que le cylindre (1') est prolongé audelà de la face extérieure du piston lent (1) et y constitue la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne servant de moyen d'entraînement pour l'émetteur. 9, Emetteur optique selon l'une quelconque des revendications de 1 à 8, caractérisé en ce que plusieurs paires de cylindres avec des pistons sont disposés à la manière d'un moteur à cylindres horizontaux opposés, d'un moteur en V ou d'un moteur en étoile autour d'un des vilebrequins constituant le point central. 10. Emetteur optique selon l'une quelconque des revendications de 1 à 8, caractérisé en ce que plusieurs paires de cylindres avec des pistons sont disposés côte à côte entre deux vilebequins coudés conformément au nombre de cylindres.