Brevet FR2561458A2 — publié le 19850920

FR 2561458 A2 19850920 FR 7317950 A 19730517 La présente addition concerne comme le brevet principal et la première addition un générateur laser à flux gazeux. Pour plus de commodité le mot (invention) sera appliqué ci-après à 17ensemble des caractéristiques décrites dans ces trois textes. On connaît par exemple par une publication de MM Lavarini, Bettini, Crançon Michon "Laser a excitation électrique et detente adiabatique" - Comptes rendus à l'Académie des Sciences de Paris t. 272 p 335-338, 1 Féier 1971). Des générateurs lasers dans lesquels on produit une décharge électrique dans un premier gaz (de l'azote) animé d'une tres grande vitesse et on melange ce premier gaz à un deuxième gaz (du gaz carbonique) dans une chambre d'expansion 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 interaction moléculaire lors du mélange. Le déplacement rapide du melange dans la chambre d'expansion lui fait atteindre la cavité optique avant la désexcitation du gaz.carbonique, ce qui permet à ce vernier une émission de lumière stimulée au sein de la cavité optiqueS c'est-à-dire une émission laser. Les molécules d'azote possèdent trois rodes dtexcitation possibles : thermique, rotationnelle et vibrationnelle. Les temps de relaxation des deux premiers modes sont très inférieurs au temps de relaxation du dernier. Lorsque les molécules d'azote et les molécules de gaz carbonique se mélangent dans la chambre dXexpan- sion, c 'est l'énergie vibrationnelle- de l'azote qui subsiste seule et qui produit au sein du gaz carbonique, l'inversion de population, qui donne naissance à une impulsion laser de forte puissance. De tels dispositifs présentent cependant un certain nombre d'inconvénients. En particulier, la structure ainsi que la disposition mutuelle des organes constituant de tels générateurs ne permet pas d'obtenir des décharges électriques puissantes et homogènes dans l'azote, d'où il résulte une limitation de la puissance ainsi que du rendement de l'émission laser. La présente invention permet de remédier à de tels inconvénients et elle a pour objet un générateur laser a flw gazeux permettant de réaliser des décharges électriques particulièrement puissantes et homogènes, et d'obteuir de ce fait des émissions lasers de forte puissance, un tel générateur présentant par ailleurs une très grande simpli ci té de structure associé à un cout de réalisation modique. L'invention concerne donc un générateur laser à flux gazeux comportant - une enceinte allongée munie d'orifices de transfert à une premiere extrémité, - des moyens d'alimentation de ladite enceinte en au moins un jet d'un premier gaz susceptible d'être excité par une décharge électrique, ces moyens d'alimentation comportant une tuyère d'injection débouchant dans l'enceinte au voisinage de sa deuxième extrémité, - des électrodes disposées dans ladite enceinte et aptes à créer une décharge électrique dans ledit premier gaz, - une chambre d'expansion allongée dans laquelle débouche ladite enceinte à travers lesdits orifices de transfert, la section de ladite chambre d'expansion étant progressivement croissante à partir de sa première extrémité adjacente à ladite enceinte jusqu'à sa deuxième extrémité, - des moyens d'évacuation pour maintenir à basse pression ladite deuxième extrémité de la chambre d'expansion et faire circuler ledit premier gaz de ladite tuyère d'injection jusqu'à ladite deuxième extrémité de la chambre d'expansion à travers lesdite orifices de transfert, - des moyens d'alimentation de ladite chambre d'expansion en au moins un deuxième gaz, susceptible d'être excité par interaction moléculaire avec ledit premier gaz dans son état excité, ces moyens d'alimentation étant situés au voisinage de ladite enceinte de manière à créer un mélange desdits premier et deuxième gaz, - une cavité optique résonnante apte à créer une émission laser en présence dudit deuxième gaz dans son état excite, cette cavité étant disposes dans ladite chambre d'expansion de manière à être parcourue par ledit mélange de gaz, générateur caractérisé par le fait que les dimensions de ladite enceinte, le diamètre et la position de ladite tuyère d'injection et la vitesse d'injection dudit premier gaz ainsi que les dimansions desdits orifices de transfert sont choisis de sorte à créer un écoulement tourbillonnaire dudit premier gaz dans l'ensemble du volume de cette enceinte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit donnée à titre d'exemple purement illustratif mais nullement limitatif en référence aux dessins annéxés dans lesquels - les figures I et 3 représentent schématiquement en coupe un premier et un deuxième mode de réalisation d'un générateur selon l'invention, - la figure 2 représente en perspective un injecteur utilisé dans le générateur selon l'invention. - les figures 4 et 5 représentent schématiquement un troisième mode de réalisation du générateur selon l'invention en coupe par un plan horizontal et par un plan vertical, respectivement. Les éléments se correspondant sur diverses figures y sont désignés par les mêmes nombres de référence. Selon la figure 1, un générateur laser à flux gazeux comporte une enceinte cylindrique 1 de diamètre 0 1 dans laquelle débouche une tuyère d'injection 2 constituant une anode et connectée à un générateur de tension G par l'intermédiaire d'une résistance R. Cette tuyère 2 comporte un conduit axial 3 relié à une source d'azote sous pression SN représentée schématiquement. Saface avant comporte un orifice d'injection 4 , divergent vers l'intérieur de l'enceinte 1.A l'autre extrémité de l'enceinte I et à distance L de l'extrémité de la tuyère 2 sont disposés sensiblement à égale distance les uns des autres des inj-ecteurs de gaz carbonique 5 alimentés à partir d'une source de gaz carbonique SC et plus parti culièrement décrits en référence à la figure 2, de tels injecteurs étant connectée electriquement à l'autre pôle du générateur de tension G au moyen de conducteurs 13. L'enceinte I débouche dans une chambre d'expansion 6 munie de deux miroirs 7 et 8 constituant une cavité optique résonnante, le miroir 8 étant semi-transparent et assurant de la sorte l'émission laser dans le sens de la flèche F. L'extrémité la plus large de la chambre d'expansion est maintenue à tres basse pression grâce à des moyens d'évacuation constituée par des canalisations la réunissant à une réserve de vide SV, représentée schématiquement et de dimensions suffisantes pour que la pression y reste pratiquement nulle pendant toute la durée de fonctionnement du générateur laser. La figure 2 permet de préciser la structure des injecteurs 5, comprenant chacun un corps métallique 9 profilé dans lequel on a pratiqué d'une part une canalisation 10 reliée par ses deux extrémités à une source de gaz carbonique vu02) et d'hélium et d'autre part une canalisation 11 dans laquelle circule un fluide de refroidissement, de l'eau (H20) en l'occurence. Ladite canalisation 10 alimente une pluralité de tubulures 12 de section constante pour l'injection de gaz carbonique. Un tel générateur fonctionne de la façon suivante : L'azote introduit sous pression dans le conduit axial 3 de la tuyère 2 est injecté à vitesse supersonique dans 11 enceinte 1 par l'intermédiaire de l'orifice d'injection 4. Par suite d'tm choix convenable des paramètres du générateur, tels que L, et 0 1 précédemment définis, il se produit un écoulementtourbillonnaire "principal" de l'azote dans l'enceinte l. Cet écoulement est représenté par les flèches en trait plein 14. I1 assure une répartition homogène de la décharge électrique déclenchee en alimentant l'anode 2 et les conducteurs 13 au moyen du générateur G. Une partie de l'azote entraînée par l'écoulement principal s'écoule alors entre les injecteurs 5 et la paroi de l'enceinte 1, en formant un écoulement secondaire représenté par des flèches en traits tiretés, et entraine le gaz carbonique et l'hélium injectés par les tubulures 12. Le gaz carbonique se trouve alors excité de la manière décrite dans ce qui précède et produit une émis ion laser dans le sens de la flèche F. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 3, analogue à la figure 1, le conduit 3 se subdivise en deux conduits 16 et 17 aboutissant respectivement à deux orifices injecteurs le et 19, divergents vers l'intérieur de l'enceinte 1. La structure et le fonctionnement du générateur sont équivalent dans l'ensemble à ce qui a éte indiqué ci-dessus à propos de la figure 1. Cependant, à l'aide d'un choix convenable des paramètres, précédemment définis, il se produit un double écoulement tourbillonnaire de l'azote dans l'enceinte 1, représenté par les flèches 20 et 21. Ceci assure une répartition particulièrement homogène de la décharge électrique déclenchée en alimentant l'anode 2 et les conducteurs 13 au moyen du générateur électrique (non représenté sur la figure 3). Bien entendu, on comprendra aisément qui est possible de mettre en oeuvre une tuyère 2 comportant plus de deux orifices injecteurs, de même que plusieurs tuyères 2 comportant un ou plusieurs orifices injecteurs. L'enceinte peut d'autre part avoir une forme autre que cylindrique, parallèlépipédique par exemple. La tuyère 2 peut alors être conformée de manière à injecter dans l'enceinte 1 non pas un jet d'azote à section circulaire, mais une nappe large et peu épaisse, parallèle à l'une des parois de l'enceinte 1. Une telle réalisation est représentee sur les figures 4 et 5. La tuyère 2 présente un orifice d'injection 40 en forme de fente, étroit dans le sens vertical, et d'une largeur voisine de celle de l'enceinte 1 dans le sens horizontal. L'écoulement principal de l'azote se fait alors en nappes horizontales : une nappe médiane représentée par des flèches 41 est dirigée de la tuyère 2 vers les injections 5 et deux nappes, l'une supérieure l'autre inférieure, représentées par des flèches 42 et 43 respectivement, sont dirigées des injecteurs 5 vers la tuyère 2. flans les modes de réalisation qui viennent d'être décrits la décharge électrique est longitudinale, c'est-à-dire qu'elle est parallèle à la direction de l'écoulement moyen de l'azote dans l'enceinte 1. La présente invention peut cependant tout aussi bien être mise en oeuvre si la décharge est transversale, c'està-dire perpendiculaire à cette même direction, Il convient seulement que la plus grande partie du volume de l'enceinte 1 soit traversée par la décharge électrique. On va maintenant indiquer de manière plus précise, comment doivent être choisis les divers paramètres du générateur selon l'invention pour obtenir un bon fonction nement Un but important est d'obtenir un bon rendement énergétique c'est-à-dire un rapport aussi elevé que possible entre l'énergie lumineuse produite, et l'énergie électrique consommée par la décharge dans l'enceinte 1. Pour cela il convient que la décharge soit du type luminescent. On sait qu'une telle décharge est entretenue par des électrons qui proviennent essentiellement de l'émission électronique secondaire de la cathode froide bombardée par des ions ou d'autres particules, ou encore d'une émission de la cathode froide par effet de champ.On sait aussi qu'elle se distingue aisément d'un arc électrique dans lequel apparait une forte élévation de température, une forte ionisation du gaz, et une émission thermo-électronique importante à la cathode. Dans une décharge luminescente la vitesse des électrons, au sein de la colonne positive, est telle que leur énergie cinétique est transférée avec un fort rendement, superieur a 80%, aux molécules d'azote rencontrée, avec excitation de leur mode vibrationnel. Dans un arc electrique, la haute rempérature atteinte rend le rendement de transfert faible au sein de l'enceinte 1 De plus le rendement énergétique des processus qui se déroulent dans la chambre d'expansion 6 est lui aussi diminué. Lorsque l'on cherche à augementer la puissance des générateurs lasers connus en augmentant le volume de l'enceinte I, la pression de l'azote, et la densité de courant électrique dans tette enceinte, ia décharge luminescente homogène devient instable et se transforme en une multiplicité d'arcs électriques en forme de filaments. Le rendement de ces générateurs diminue alors fortement. Grâce à l'ecoule- ment tourbillonnaire selon l'invention la décharge reste du type luminescent et homogène, tout en permettant des puissance élevées. Pour cela, dans le cas des figures 1 et 2, s'est-à-dlre d'une enceinte cylindrique et d'une décharge électrique longitudinale, il faut tout d'abord choisir le rapport de la longueur L de l'enceinte à son diamètre 0 1 entre cinq et sept environ 5 I1 est bon que la quantité de mouvement Om injectée par seconde par la tuyère 2, c'est-à-dire ie produit du débit massique par la vitesse d'injection, soit comprise entre un et trente, si J'on prend comme unité le mètre, la seconde et le kilogramme 1 Kg.m/s2 Le coefficient de permabilité de sortie E5 c'est-à-dire le rapport de la surface de sortie laissée libre entre les injecteurs 5, à la surface de la section de l'enceinte, est avantageusement compris entre 5% et 50%. 5% I1 est à noter à ce sujet que la pression dans l'enceinte I est voisine ou supérieure au double de la pression dans la chambre d'expansion 6, de telle sorte que l'écoulement de l'azote entre les injecteurs 5 atteint la vitesse du son. Quant à la pression D de l'azote dans l'enceinte 1 la présente invention est surtout intéressante si elle est supérieure à 0,1 bar. Elle peut atteindre plusieurs bars sans apparition d'arc électrique. La vitesse d'injection V de l'azote par la tuyère 2 est supérieure à 100 V lOOmis La densité de courant j dans l'enceinte, c1est-à-dire le rapport de l'intensité à la surface de la section de l'enceinte doit être augmentee si lton veut augmenter la puissance du générateur. Des densités de courant élevées ont été obtenues avant la présente invention dans des enceintes de faible section. Il s'établissait alors une décharge électrique homogène. Mais si l'on souhaitait augmenter la puissance du générateur en augmentant la section de l'enceinte, des arcs électriques en forme de filaments apparaissaient. La présente invention permet lorsque la densité de courant est forte, d'augmenter la section de l'enceinte 1.On a avantageusement 10 mA/cm2 L'énergie électrique Wm injectée par unité de masse de l'azote peut être exprimée en joules par grammes 500 J/g Il peut y avoir intérêt à calculer le rapport E/N entre le champ électronique E dans l'enceinte 1 et le nombre N de molécules d'azote par centimètre cube, car ce rapport est lié à la vitesse moyenne d'un electrcn heurtant une molécule d'azote. On a alors de préférence 10-17V/cm2 On va donner ci-après les valeurs des paramètres précédemment définis dans deux exemples de mise en oeuvre de l'invention, correspondant au mode de réalisation de la figure 1. PARAMETRE UNITE i er EXEMPLE 2ème EXEMPLE L nnn 300 300 0 l fln 50 ~~ 50 Q m Kgm/s2 ,5 17,5 K z lo 15 P millibar 200 500 V mls 320 580 j mA/cm 20 60 Wm J/g 690 1 600 REVENDICATIONS 1/ Générateur laser à flux gazeux selon la revendication I du brevet principal comportant - une enceinte allongée munie d'orifices de transfert à une première extrémité - des moyens d'alimentation de ladite enceinte en au moins un jet d'un premier gaz susceptible d'être excité par une décharge électrique, ces moyens d'alimentation comportant une tuyère d'injection débouchant dans l'enceinte au voisinage de sa deuxième extrémité, - des électrodes disposées dans ladite enceinte et connectées à une source électrique pour créer une décharge électrique dans ledit premier gaz, - une chambre d'expansion allongée dans laquelle débouche ladite enceinte à travers lesdits orifices de transfert, la section de ladite chambre d'expansion étant progressivement croissante à partir de sa première extrémité adjacente à ladite enceinte jusqu'à sa deuxième extrémité, - des moyens d'évacuation pour maintenir à basse pression ladite deuxième extrémité de la chambre d'cxpansion et faire circuler ledit premier gaz de ladite tuyère d'injection jusqu'à ladite deuxième extrémité de la chambre d'expansion à travers lesdits orifices de transfert, - des moyens d'alimentation de ladite chambre d'expansion en au moins un deuxième gaz, susceptible d'entre excité par interaction moléculaire avec ledit premier gaz dans son état excité, ces moyens d'alimentation étant si tués au voisinage de ladite enceinte de manière à créer un mélange desdits premier et deuxième gaz, - une cavité optique résonnante apte à créer une émission laser en présence dudit deuxième gaz dans son état excité, cette cavité étant disposée dans ladite chambre d'expansion de manière à être parcourue par ledit mélange de gaz, - caractérisée en outre par le fait que ladite enceinte est un cylindre à section circulaire dont la longueur est comprise entre cinq et sept fois son diamètre, les dimensions de ladite enceinte, le diamètre et la position de ladite tuyère d'injection et la vitesse d'injection dudit premier gaz ainsi que les dimensions desdits orifices de transfert étant choisis de sorte à créer un écoulement tourbillonnaire dudit premier gaz dans l'ensemble du volume de cette enceinte. 2/ Générateur selon la revendication I caractérisé en outre par le fait que ladite tuyère d'injection est disposée selon l'axe de ee cylindre, de manière à ce que, au voisinage dudit axe, ledit écoulement tourbillonnaire aille de la deuxième vers la première extrémité de l'enceinte, et, au voisinage des parois latérales de l'enceinte, cet écoulement aille de la première vers la deuxième extrémité, 3/ Générateur selon la revendication I caractérisé par le fait que ladite source électrique et lesdites électrodes sont agencées de manière à créer une décharge luminescente dans ledit premier gaz.