Brevet FR2557387A1 — publié le 19850628

Procédé pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns La présente invention concerne un procédé pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns. Un procédé connu pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns est décrit dans l'article américain intitulé "Production of population inversions among the electronic states atomic species by processes of intermolecular V4-*E energy transfer" (J.A. Blauer et G.D. Hager) extrait de l'ouvrage "Electronic transition lasers" (J.I. Steinfeld) MIT Press, 1976, pages 105 à 111. Dans ce procédé, on comprime rapidement et fortement un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène moléculaire et de l'argon de façon à porter la température du mélange à une température supérieure à 5000 K et à former en son sein de l'hydrogène atomique. On détend ensuite le mélange comprimé par passage à travers une tuyère et on injecte de l'acide bromhydrique gazeux dans le flux de gaz sortant de la tuyère. L'acide bromhydrique réagit sur l'hydrogène atomique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration et du brome atomique au niveau quantique 2P3/2. L'énergie d'excitation de l'hydrogène moléculaire est alors transférée au brome de façon à faire passer les atomes de brome de l'état 2P3/2 à l'état excité 2P1/2. Le gaz contenant le brome excité est admis à traverser une cavité optique résonnante. Par ce procédé il est possible d'obtenir, en principe, une impulsion laser de longueur d'onde 2,71 microns par une compression du mélange gazeux. Cette méthode donne en pratique des résultats peu satisfaisants et non répétitifs. D'autre part il n'est pas possible d'obtenir ainsi un faisceau laser continu. La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un procédé fiable pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns et de réaliser industriellement un émetteur laser capable d'émettre un tel faisceau. La présente invention a pour objet un procédé pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns, consistant - à former de l'hydrogène atomique dans un gaz initial comportant de l'hydrogène moléculaire, - 2 - à détendre le gaz contenant de l'hydrogène atomique par passage dans des tuyères à une vitesse supersonique, - à injecter de l'acide bromhydrique gazeux à la sortie des tuyères dans le sens d'écoulement du gaz, cet acide réagissant avec l'hydrogène atomique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration et du brome atomique au niveau quantique 2P3/2, l'énergie d'excitation de l'hydrogène moléculaire étant alors transférée au brome de façon à exciter les atomes de brome au niveau 2P1/2 1/2 - et à faire passer le gaz sortant des tuyères et contenant des atomes de brome au niveau P1/2 dans une cavité optique résonnante, perpendi- 1/2 culairement à l'axe de la cavité, pour obtenir, à la sortie de la cavité, ledit faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns, caractérisé en ce que la formation de l'hydrogène atomique dans le gaz est obtenue en créant à l'amont de chaque tuyère une décharge électrique à haute tension, cette décharge engendrant de plus de l'hydrogène moléculaire excité en vibration, cet hydrogène moléculaire excité venant s'ajouter, après passage dans les tuyères, à celui produit par action de l'hydrogène atomique par l'acide bromhydrique de façon à augmenter le nombre d'atomes de brome passant du niveau P3/2 2/ au niveau P1/2, le faisceau laser sortant de la cavité étant un faisceau continu. Une forme particulière d'exécution de l'objet de la présente invention est décrite ci-dessus, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente, en coupe longitudinale, un émetteur laser capable de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Sur cette figure, une pluralité de tubes cylindriques isolants tels que 1, 2 et 3, identiques et parallèles entre eux présentent leurs entrées telles que 9 dans un plan perpendiculaire à la direction des tubes. A l'intérieur de chaque tube, du côté de l'entrée 9, est disposée une électrode annulaire coaxiale 4. Une autre électrode annulaire coaxiale 5 est disposée à la sortie de chaque tube. Les sorties des tubes cylindriques sont reliées à un ensemble - 3 - de tuyères 7. Des injecteurs 8 sont placés à l'aval du col 6 des tuyères. Chaque injecteur peut être disposé par exemple à l'intérieur de la paroi commune à deux tuyères consécutives de façon que l'axe d'injection 20 soit orienté dans le sens d'écoulement du gaz dans les tuyères. Les injecteurs 8 communiquent par des canalisations non visibles sur la figure avec un générateur 16 d'acide bromhydrique gazeux. Les tuyères débouchent dans une chambre 21 délimitée par une paroi cylindrique 11. Cette paroi comporte deux ouvertures opposées obturées de façon étanche par deux pièces cylindriques 12 et 13. Ces pièces supportent respectivement deux réflecteurs 14 et 15 disposés pour former une cavité optique résonnante suivant un axe 23 traversant les ouvertures perpendiculairement au sens d'écoulement du gaz dans les tuyères. Le réflecteur 15 est partiellement transparent au rayon- nement de longueur d'onde 2,71 microns. La chambre 21 comporte, à son extrémité opposée aux tuyères, un dispositif 19 comprenant un diffuseur suivi d'un système de pompage ou d'une enceinte à vide. Les électrodes 4 et 5 sont reliées à une source de courant continu haute tension 17 par l'intermédiaire d'une résistance 18. Le dispositif représenté sur la figure fonctionne de la manière suivante. On fait pénétrer dans les tubes 1 par leurs entrées 9 un gaz à basse pression formé d'hydrogène moléculaire qui peut être dilué avec un gaz neutre tel que l'hélium ou l'argon. Ce gaz est soumis à des décharges électriques qui s'établissent à l'intérieur des tubes longitudinalement entre les électrodes 4 et 5 chargées par la source 17 à une différence de potentiel élevée. Sous l'effet de cette décharge, le gaz est porté à une température de l'ordre de 400 à 500 K et il se forme de l'hydrogène à l'état atomique et de l'hydrogène moléculaire excité en vibration au niveau 1. De préférence on règle la décharge électrique de façon que le rapport Ep entre le champ électrique E et la pression p du gaz soit compris entre 2 et 10 V/cm x torr. On favorise ainsi la production de molécules d'hydrogène excitées au niveau 1. On peut obtenir par 25573S7. - 4 - exemple, par rapport aux molécules d'hydrogène initiales, 10 à 15% de molécules d'hydrogène excitées au niveau 1 et quelques pour cent d'atomes d'hydrogène. Le système de pompage (ou l'enceinte à vide) expulse le gaz contenu dans la chambre 21, et le gaz contenant de l'hydrogène molécu- laire excité au niveau 1 et de l'hydrogène atomique est détendu en passant des tubes vers la chambre 21 à travers les tuyères 7 à une vitesse supersonique. Pour éviter la recombinaison des atomes d'hydrogène sur les parois des tuyères, celles-ci sont de préférence constituées d'une matière céramique ou d'un métal recouvert d'une couche de polytétrafluoréthylène. On injecte à la sortie des tuyères de l'acide bromhydrique gazeux par les injecteurs 8. L'hydrogène atomique réagit sur l'acide bromhydrique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration au niveau 1 et du brome atomique au niveau 2P3/2 suivant la réaction: (1) H + HBr -4 H2 (1) + Br ( P/2). 2 3/2 Aux molécules d'hydrogène excitées au niveau 1 produites par la réaction (1) viennent s'ajouter celles provenant de la décharge électrique. Si l'on règle cette décharge comme précisé plus haut, les molécules d'hydrogène excitées présentes dans le gaz à cet instant proviennent essentiellement de la décharge électrique. L'énergie d'excitation des molécules d'hydrogène est alors transférée au brome, de façon à faire monter les atomes de brome au niveau quantique excité 2P1/2 suivant la réaction: (2) '' (2P1/2) (2) Br ( P3/2) + H2 (1) Br ( 1/2 + H2 (0). (2P/2 2)/ L'apport déterminant des molécules d'hydrogène excitées produites par la décharge entraîne, par rapport au procédé selon l'art antérieur, une augmentation très importante de l'inversion de population sur le brome. D'autre part, la réaction (2) est équilibrée, de sorte qu'il 2557387A faut une proportion minimale d'hydrogène excité au niveau 1 par rapport à l'hydrogène au niveau fondamental O pour obtenir l'inversion de population sur le brome. Cette proportion minimale varie en fonction de la température du gaz. Elle est de 3,2% à 2000K, de 10,2% à 300 K et de 18% à 400 K. Pour faciliter la création de l'inversion de population, les tuyères du dispositif selon l'invention sont d'un type entrainant une forte détente du gaz les traversant. On obtient ainsi, de préfé- rence, une température du gaz détendu inférieure à 300 K pour une température de 500 K à l'amont des tuyères. Le gaz détendu contenant du brome excité traverse ensuite la cavité optique résonnante 14-15, ce qui provoque la formation d'un faisceau laser continu 22, par descente des atomes de brome du niveau P1/2 au niveau 2P3/2. Le faisceau continu 22 sortant du réflecteur 1/2 3/2' partiellement transparent 15 a une longueur d'onde de 2,71 microns. A titre indicatif, la pression du gaz à l'amont des tuyères est comprise entre 20 et 100 torrs. Les tubes à décharge ont un diamètre de 1 centimètre et une longueur de 20 centimètres environ. La vitesse d'écoulement du gaz dans les tuyères est comprise entre Mach 1, 5 et Mach 2. Les deux réflecteurs de la cavité laser sont des miroirs à couches diélectriques dont les coefficients de réflexion respectifs sont de 100% et de 97% à la longueur d'onde de 2,71 microns. Dans ces conditions, la puissance laser spécifique est de 1 à 2 KW pour un débit d'hydrogène moléculaire de 1 mole/seconde. Le rendement électrique (quotient de l'énergie laser par l'énergie d'excitation) est de l'ordre de 10%. Le procédé selon l'invention peut être appliqué à la réalisation de lasers pour la télémétrie et les télécommunications spatiales. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier on peut, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer certains moyens techniques par des moyens équivalents. - 6 - REVENDICATIONS 1/ Procédé pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns, consistant - à former de l'hydrogène atomique dans un gaz initial comportant de l'hydrogène moléculaire, - à détendre le gaz contenant de l'hydrogène atomique par passage dans des tuyères à une vitesse supersonique, - à injecter de l'acide bromhydrique gazeux à la sortie destuyères dans le sens d'écoulement du gaz, cet acide réagissant avec l'hydrogène atomique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration et du brome atomique au niveau quantique 2P/2, l'énergie d'excitation de l'hydrogène moléculaire étant alors transférée au brome de façon à exciter les atomes de brome au niveau 2P1/2 - et à faire passer le gaz sortant des tuyères et contenant des atomes de brome au niveau 2P/2 dans une cavité optique résonnante, perpendi- 1/2 culairement à l'axe de la cavité, pour obtenir, à la sortie de la cavité, ledit faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns, caractérisé en ce que la formation de l'hydrogène atomique dans le gaz est obtenue en créant à l'amont de chaque tuyère une décharge électrique à haute tension, cette décharge engendrant de plus de l'hydrogène moléculaire excité en vibration, cet hydrogène moléculaire excité venant s'ajouter, après passage dans les tuyères, à celui produit par action de l'hydrogène atomique par l'acide bromhydrique de façon à augmenter le nombre d'atomes de brome passant du niveau 2P3/2 P3,2 au niveau 2P1/2, le faisceau laser sortant de la cavité étant un faisceau continu. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre le champ électrique de la décharge et la pression du gaz soumis à cette décharge est compris entre 2 et 10 V/cm x torr. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détente du gaz est suffisamment forte pour que la température du gaz détendu soit inférieure à 300 0K. 2557387 i - 7 - 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz initial est de l'hydrogène pur. / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz initial est un mélange d'hydrogène moléculaire et d'un gaz neutre. 6/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la décharge est produite longitudinalement à l'intérieur d'un tube disposé en amont de chaque tuyère.