Brevet FR2513027A1 — publié le 19830318

Ltinvention se rapporte à un dispositif destiné à produire unl état d'activité laser dans un écoulement rapide subsonique, qui comprend un canal d'écoulement, une pre- mière paire d'électrodes possédant des électrodes diélec- triques disposées face à face dans la région de la paroi du canal d'écoulement, ainsi qu'une deuxième paire délec- tredes dont une électrode est disposée en amont de la dé- charge dans le canal d'écoulement et dont l'autre électro- est disposée en aval de la décharge, dans le canal d'écou- lement, les électrodes de la première paire d'électrodes étant connectées à une source de tension Ait. On utilise déjà depuis longtemps des décharges électriques à lueurs pour l'excitation de molécules gazeu- ses dans les lasers, en particulier dans les lasers au C 02 Le développement des lasers au C 02 a commencé avec des décharges longitudinales dans les tubes de vorre Dans ce cas, la puissance déclenchable est limitée à environ W/m en raison de la transmission de la chaleur du plas- ma à la paroi par diffusion. On obtient un accroissement de la puissance de sortie spécifique en évacuant la chaleur par convection dans un écoulement rapide circulant dans la direction lon- gitudinale du tube à décharge On obtient alors 500 W/m avec une stabilisation de la décharge par formation de turbulence Les hautes résistances d'écoulement qui en ré- sultent exigent pour les surmonter de grandes différences de pression et nécessitent un système de pompage cofteux pour le circuit de gaz. Les lasers à écoulement transversalsdans lesquels il se produit une plus forte évacuation de la chaleur per- pendiculairement à l'axe optique dans un écoulementdévelop- pent des puissances plus élevées La décharge électrique est alors superposée soit perpendiculairement à l'écoule- ment, soit parallèlement à l'écoulement O Ces deux procédés exigent des mesures particulières pour la stabilisation de la décharge C'est ainsi que la décharge dans le sens de l'écoulement tend à des étranglements par suite de dé- fauts d'homogénéité qui affectent en particulier la tem- pérature et la densité des électrons, qui résultent du fait que les électrodes se trouvent dans l'écoulement. Pour supprimer les instabilités qui prennent origine dans ces zones, il est nécessaire de provoquer de fortes tur- bulences, ce qui exige la mise en oeuvre d'artifices de construction (Nighan et autres dans Appl Phys Lett 2 633, 1974). Dans le cas de déchargesproduit esperpendiculai- renent à l'écoulementon doit prendre des dispositions pour combattre ltentralnement de la décharge dans le sens de l'écoulement. Ces décharges transversales ont fait ltobjet-dtex- périmentations approfondies en plusieurs variantes: 1 Décharges autonomes en courant continu: Dans ces décharges, on ne peut obtenir dans un mode stable qu'une densité de puissance limitée, en rai- son de la relation directe existant entre l'intensité du champ et la production de porteurs de charges (extreme dépendance du coefficient d'ionisation vis-à-vis de l'inten- sité du champ électrique) Pour stabiliser la décharge, il est donc nécessaire d'utiliser des électrodes à forte segmentation et à refroidissement coûteux avec un réseau de résistances série. 2 Décharges combinées. En séparant les fonctions de production des por- teurs de charge et de l'excitation de la vibration, on obtient une amélioration de la stabilité de la décharge, et, de cette façon, un accroissement de la densité de puis- sance Les procédés connus de production séparée des por- teurs de charge sont les suivants s a) Générateur d'impulsions entretenues On superpose à une décharge semi-autonome en cou- rant continu à faible intensité de champ électrique, de cour- tes impulsions de haute tension à haute fréquence, pour l'ionisation le plasma L'intensité du champ de la décharge en courant continu est en général plus basse que dans les décharges autonomes et elle est accordée sur l'excitation optimale en vibration de la molécule gazeuse Les courtes impulsions de haute tension produisent une haute densité d'électrons dans un plasma stable à prédominance de recom- binaison dans le temps L'amélioration de la d ch a rg e est toutefois obtenue au prix d'une alimentation com- pliquée en énergie Ce principe a été encore amélioré par une pré-ionisation %V superposée en supplément pour ob- tenir la décharge dite PIE (NAM et autres dans IEEE J. Quantum Electronics, QE 1, 44, 1979). b) Décharge semi-autonome en courant continu avec ionisation par faisceau d'électrons. Ce principe permet d'obtenir les meilleurs résul- tats en puissance mais l'installation est compliquée et fragile Le faisceau d'électrons est transmis à la décharge par l'intermédiaire d'une mince pellicule métallique dont la rupture conduit à de graves perturbations du fonction- nement L'exploitation n'est pas sans problèmes parce qu'el- le nécessite dos tensions élevées et une protection contre les rayons X. 3 Décharges autonomes à haute fréquence: Confonrmément à la variation dans le temps du champ électrique, la décharge à haute fréquence est constituée par une série alternative de courtes phases de décharge autonome et de phases plus longues de décharge semi-auto- nome, avec une densité d'électrons constante dans le temps. Dans un plasma déterminé par recombinaison l'apparition d'instabilités en volume se décale vers de plus grandes densités de puissance spécifique La décharge à haute fréquence offre la possibilité de réduire les pertes de porteurs de charge grace à un choix approprié de la fréquence Ceci steffec- tue par maintien de l'amplitude du mouvement de dérive des électrons petite comparativement à la distance d'écar- tement des électrodes L'injection de l'énergie à haute s fréquence peut s'effectuer soit par l'intermédiaires d'é- lectrodes métalliques, soit par voie capacitive (demande de brevet européen 3280, brevet des E U A 3 748 594; Gavrilyuk et autres dans Sov J Quantum Electron 2, 326, 1979; Christensen et autres dans IEEE Quantum Elec- tronics QE 16, 949, 1980). Le couplage par électrodes apporte vis à vis do la décharge en courant continu un autre avantage consistant en ce que le changement de polarité interrompt périodique- ment la fonction cathode de l'électrode considérée pen- dant des temps qui scnt beaucoup plus petits que le temps de croissance type des instabilités thermiques qui, autre- ment, prendraient naissance sur la cathode C'est pour- quoi, comparativement aux décharges en courant continu, la décharge IE' peut Otre injectée à travers des électro- des à segmentation grossière d'une construction particu- lièrement simple Par ailleurs la décharge à haute fré- quence possède une caractéristique intensité-tension posi- tive de sorte qu'on peut se dispenser de la stabilisation ohmique qui est habituelle dans les autres cas (brevet de la R F A 29 17 995; Schock et autres dans LASER + Elek- tro-Optik 2, 76, 1981). Il est par ailleurs connu de superposer à un champ continu électrique orienté parallèlement à la direction de l'écoulement un champ HF électrique orienté transversale- ment à l'écoulement et d'augmenter par ce moyen la densi- té de puissance de la décharge (Eckbret$ et autres dans Appl Phys Elett 21, 25, 1972) La superposition du champ à haute fréquence sert ici à la stabilisation de la déchar- ge longitudinale en courant continu Toutefois, dans ce dispositif, on se heurte comme précédemment à la difficul- té consistant dans le fait que, en raison de la présence des électrodes métalliques disposées dans-la section du canal, les défauts d'homogénéité limitent la densité de QS puissance. L'invention vise à perfectionner un dispositif de ce genre déjà connu de telle manière qu'il soit pos- sible d'obtenir dans un gaz en écoulement rapide une ex- citation électrique homogène possédant une grande densité de puissance. Suivant l'invention, ce problème est résolu dans un dispositif du genre décrit au début par le fait que les électrodes de la deuxième paire d'électrodes sont connec- tées à une deuxième source de tension HF et par le fait que les électrodes de la deuxième paire d'électrodes com- prennent plusieurs électrodes diélectriques,1 éémentaires réparties sur la section du canal découlement et qui pré- sentent un noyau métallique entièrement entouré d'une ma- tière diélectrique. En connectant la deuxième paire d'électrodes à une source de tension HF, on obtient un champ électrique dont le vecteur champ électrique varie en valeur et/ou on direction. La stabilisation repose essentiellement sur les effets suivants: a) La variation de direction du vecteur champ élec- trique supprime l'accroissement des instabilités liées à la direction. b) La variation de valeur du vecteur champ élec- trique conduit à une alternance de phases de déchargesau- tononmes et semi-autonomes Pendant la phase de décharge semi-autonome, le plasma est déterminé par recombinaison et exerce de ce fait un rôle stabilisateur. Pour lo cas particulier de la superposition perpen- diculaire et du décalage de phases dans le temps de, on obtient un vecteur intensité de champ qui tourne et est d'une valeur constante. Il peut également 8 tre avantageux que les deux sources de tension HF produisent des fréquences différen- tes sans couplage de phase. Dans le cas de fréquences différentes des généra- teurs et d'absence de couplage de phase, on obtient un vec- % teur intensité de champ qui possède une vitesse angulaire statistique et présente une modulation d'intensité. A ce propos, il convient de signaler que l'on connatt déjà une expérience dans laquelle on conduit la décharge avec un vecteur champ électrique en rotation uni- forme à l'intérieur d'un tube de verre (Zhilinskii et au- tres dans Sov Phys Tech Phys 23, 1293, 1978) L'in Jec- tion de l'énergie à haute fréquence est assurée ici par deux paires d'électrodes qui sont disposées à l'extérieur d'un tube de verre En raison de cette disposition du tube, la densité de puissance pouvant tre obtenue est limitée, ce qui est révélé par la densité de puissance élec- trique injectée de 4 W/cm 3 qui a été atteinte. Avec cette configuration, on pourrait envisager un accroissement limité de la puissance par superposition supplémentaire d'un écoulement longitudinal dans le tube. Au contraire, la disposition suivant l'invention de la deuxième paire d'électrodes dans le canal d'éceulement et la subdivision de cette paire d'électrodes en électro- des élémentaires permet une superposition d'un écoulement transversal à haute vitesse de courant gazeux De cette façon, il est possible de combiner les avantages d'un champ électrique tournant à ceux d'un échange gazeux rapide dans la décharge. Toutefois, l'électrode divisée en électrodes élé- mentaires qui est placée en amont de la région de déchnrge- exerce encore un effet de dynamique de l'écoulement en ce sens qu'elle homogénise l'écoulement gazeux qui pénètre dans la région de décharge De même, l'électrode divisée 3 en électrodes élémentaires qui est placée en aval exerce également un effet supplémentaire; en effet, elle limite la région de décharge sur le c 8 té aval de la région de dé- charge et, par ce moyen, s'oppose efficacement à l'entrat- nement de la décharge dans le sens de l'écoulement. L'utilisation d'électrodes enrobées d'une matière diélectrique dans la deuxième paire d'électrodes permet d'obtenir une application homogène d'intensité aux électrodes sans, d'une part, les art i fices de segmentation des électrodes qui seraient nécessaires autrement et sans, d'autre part, la stabilisation ohmique Ceci permet de supprimer le refroidissement costeux, en particulier dans les lasers à haute puissance Par ailleurs, l'utilisation d'électrodes diélectriques évite tout contact direct en- tre gaz et métal, ce qui conduit à un meilleur comporte- ment du laser en longue durée. En raison de ses propriétés électriques (intensité du champ d'amorçage, constante diélectrique) A 1203 est particulièrement bien approprié pour servir de diélec- trique. Il est particulièrement avantageux que les élec- trodes élémentaires possèdent la forme de plaques qui sont disposées à un certain écartement mutuel et parallèlement à la direction de l'écoulement La laminarisation de l'é- coulemnient à son entrée dans la région de décharge obtenue avec cette configuration est particulièrement accentuée. Dans un exemple préféré de réalisation de l'in- vention, les électrodes élémentaires situées sur le c 8 té amont se terminent inmmédiatement en amont des électrodes de la première paire d'électrodes et les électrodes élé- montaires situées sur le c 8 té aval commencent immédiate- ment on aval des électrodes de la prenière paire d'élec- trodes On obtient par ce moyen une région de décharge exactement définie entre les électrodes de la première pai- re d'électrodes. Selon l'utilisation du laser, on peut le faire fonc- tionner en régime continu, pulsé ou avec superposition d'une pulsation Si, par exemple, on applique une tension continue à haute fréquence à l'un des deux systèmes d'élec- trodes et une tension pulsée à l'autre, on peut produire avec utilisation de la rotation du vecteur E qui se mani- feste dans ce cas, une décharge stable pour un faisceau laser continu avec superposition d'une pulsation. La configuration suivant l'invention de l'ensenw- ble d'électrodes, qui assure en partie en supplément la fonction d'action sur l'écoulement et de limitation de la décharge permet d'utiliser de très grandes vitesses d'écoulement gazeux sans entratnement de la décharge dans le sens de l'écoulement Ceci a pour effet de combiner simultanément trois dispositions pour la stabilisation de la décharge. a) Grande vitesse d'écoulement b) Variation de la valeur de l'intensité du champ électrique c) Variation de la direction du vecteur intensité du champ Les avantages du dispositif suivant l'invention peuvent Otre caractérisés en résumé par les particulari- tés caractéristiques suivantes t 1 La haute densité de puissance qui peut ainsi Otre obte- nue permet de construire des lasers compacts comportant des électrodes simples, par suppression de la segmenta- tion et de la pré-ionisation qui sont habituelles dans les autres cas. 2 La stabilisation ohmique génératrice de pertes est sup- primée. 3 Il n'est nécessaire de prévoir aucun refroidissement des électrodes. 4 Dans la zone de décharge, il n'y a pas de contact en - tre le plasma et un métal, ce qui améliore le comporte- ment en longue durée du laser. La disposition des électrodes permet de faire travail- ler le laser dans un régime de longue durée avec super- position d'une pulsation. En particuliers les points 1 à 3 ont pour consé- quences que la complexité technique de l'ensemble du laser reste réduite et que son rendement est cependant élevé. D'autres caractéristiques et avantages de l'in - vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé qlui est une vue en coupe longi- tudinale schématique d'un dispositif suivant l'invention destiné à la production d'un état d'activité laser. Dans un canal 1 qui possède de préférence une section rectangulaires sont encastrées dans les parois latérales opposées 2 et 3 des électrodes 4 et 5 qui for- ment ensemble une première paire d'électrodes Les sur- faces planes des électrodes sont à l'affleurement des pa- rois latérales du canal et sont constituées par un diélec- trique 6 à faible angle de perte, qui est muni d'un revi- tement métallique 7 sur la face arrière Le résonateur du laser se trouve dans le volume 8 compris entre les deux électrodes 4 et 5 En amont et on aval du volume 85 se trouvent d'autres électrodes 9 et 10 qui forment ensemble une deuxième paire d'électrodes Ces deux électrodes sont composées d'électrodes élémentaires 11 et 12 qui, dans l'exemple de réalisation représenté, ont la forme de pla- ques qui sont réparties sur la section du canal 1, paral- lèlement A la direction de l'écoulement et à un certain écartement mutuel Les électrodes élémentaires 11 et 12 sont composées d'un noyau métallique> 13 ou 14 respective- ment, qui est entouré d'une matière diélectrique 15 ou 16 respectivement Los électrodes de la première paire d'électrodes et les électrodes de la deuxième paire d'é- loctrodes sont connectées à des générateurs de haute fré- quence 21 et 22 respectivement à travers des inductances 17 et 18 ou 19 et 20 respectivement. Les inductances compensent la réactance capaciti- ve des électrodes de sorte que les générateurs ne sont cal- culés que pour la résistance de la décharge 3 O Le gaz dans lequel l'état d'activité laser doit être produit st'écoule dans le dispositif dans le sens de la Ti- che A, le courant gazeux étant laminarisé et homogénéisé par les électrodes élémentaires 11 situées à l'extrémité amont du volume 8 Le gaz traverse le volume 8 et, dans ce passage, le champ électrique qui varie en direction et éventuellement en intensité produit dans le courant gazeux une décharge qui se propage de façon homogène sur tout le volume 8 transversalement à la direction de l'écoulement et est limitée par les électrodes élémentaires 12 sur le c 8 té aval du volume 8 Un effet essentiel consiste en ce que l'amorçage de la décharge se produit sur la surface des plaques, en une surface étendue, de sorte que, contrai- rement aux décharges longitudinales à courant continu de la technique antérieure, il ne se produit pas d'ttrangle- ment du plasma dans la région de décharge. Avec le dispositif suivant l'invention, on peut obtenir des densités de puissance extrêmement élevées. Par exemples dans des premières expériences effectuées avec un tel dispositif dans le régime continu, on a réa- lisé une décharge homogène d'une haute densité de puissan- ce de 35 k W/l et réalisé de cette façon un laser au C 02 possédant un rendement global de 20 % Le volume de déchar- ge était de 0,35 1 On utilise comme électrodes des plaques céramiques (A 1203) d'une épaisseur de 2,5 mm La fréquence du générateur est de 6 M Hz. Bien entendu, diverses modifications pourront tre apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Dispositif destiné à produire un état d'activité laser dans un écoulement rapide subsonique, qui comprend un canal d'écoulement, une première paire d'électrodes possédant des électrodes diélectriques disposées face à face dans la région de la paroi du canal d'écoulement, ain- si qu'une deuxième paire d'électrodes dont une électrode est disposée en amont de la décharge dans le canal d'écou- lement et dont l'autre électrode est disposée en aval de la décharge, dans le canal d'écoulement, les électrodes de la première paire d'électrodes étant connectées à une source de tension i F, caractérisé en ce que les électrodes ( 9, 10) de la deuxième paire d'électrodes sont connectées à une deuxième source de tension HF ( 22) et en ce que les électrodes ( 9, 10) de la deuxième paire d'électrodes com- prennent plusieurs électrodes élémentaires diélectriques ( 11, 12) réparties sur la section du canal d'écoulement ( 1) et qui présentent un noyau métallique entièrement en- touré par une matière diélectrique ( 11, 12). 2 Dispositif suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que les électrodes élémentaires ( 11, 12) ont la forme de plaques qui sont disposées à un certain écar- tement mutuel et parallèlement à la direction de l'écou- lement. 3 Dispositif suivant l'une quelconque des re- vondications 1 et 2, caractérisé en ce que les électrodes ( 4, 5) do la première paire d'électrodes sont constituées par des plaques diélectriques sur la face arrière desquel- les est placée une plaque métallique ou déposée une couche métallique. 4 Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que les électrodes élémentaires ( 11) situées sur le c 8 té amont se terminent immédiatement en amont des électrodes ( 4, 5) de la premi- ère paire d'électrodes et en ce que les électrodes élémen- taires ( 12) situées sur le c 8 té aval commencent immédi- atement en aval des électrodes ( 4, 5) de la première pai- re d'électrodes. Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que la deuxième source de tension HF ( 22) produit une tension HF de même fréquence que la première source, les deux tensions HF présentant une relation de phases fixe qui comporte un décalage de phase. 6 Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux sour- ces de tension HF ( 21, 22) produisent des fréquences dif- férentes sans couplage de phase.