Brevet FR2575869A1 — publié le 19860711

La présente invention concerne un générateur laser comprenant une cavité résonante remplie d'un gaz laser et des électrodes de pompage électrique pour provoquer une décharge laser dans le gaz de la cavité alors soumise à une élévation de température. Un tel générateur est utilisé par exemple dans les domaines médicaux ou militaires. Les générateurs de ce type présentent un inconvé- nient majeur qui limite leur durée de vie, à savoir la dégradation du gaz. La dégradation du gaz, généralement du C02, se traduit par les réactions chimiques suivantes, directe- ment provoquées par la décharge haute tension: C002 CO + 0 CO C + 0 On peut empêcher cette dégradation du gaz par des catalyseurs solides disposés dans la cavité, et qui favo- risent les réactions chimiques inverses C + O - CO CO + O CO2 Mais les catalyseurs solides connue à ce jour, comme par exemple l'hopcalite, sont pulvérulents; malgré des précautions d'emploi très strictes, ils polluent donc le laser. On peut encore empêcher la dégradation du gaz en adoptant une cathode active, pourvue d'un certain pouvoir catalytique et oxydant, réalisée à partir d'un mélange approprié de métaux et dioxydes, comme par exemple du cuivre, du nickel, du cobalt. Si une telle électrode empêche effectivement la dégradation du gaz, elle provoque par contre une importante pollution de la cavité résonante, par dépôt de métaux et d'oxydes sur sa paroi interne, provoquant ainsi une autre forme de dégradation du laser. En définitive, et mime avec les catalyseurs solides connus ou une électrode active, la durée de vie du générateur et son bon fonctionnement reste limités. La demanderesse s'est donc posé le problème de la dégradation du gaz laser et de la pollution de la cavité. On connatt donc déjà, comme moyen de catalyse parfai- tement approprié pour la réaction CO Co2 le produit désigné sous le nom dthopcalite. C'est un mélange d'oxydes de manganèse et de cuivre. L'oxyde de manganèse assure un r81e d'oxydation, et l'oxyde de cuivre, un r81e de catalyse. Pour que l'action catalytique puisse &tre assurée, ce matériau doit présenter une structure particulière, en l'occurrence une structure en éponge. L'hopcalite est donc un matériau friable, générateur de poussières préjudiciables au bon fonctionnement du laser. De toutes façons, des grains d'hopcalite agglomérés et collés sur un support, à l'intérieur de la cavité laser, ne produisent pas d'effet de catalyse. Quant à la solution de disposer des grains d'hopcalite à l'inté- rieur d'un filtre, elle présente l'inconvénient selon lequel le filtre constitue pour les gaz un obstacle difficile à franchir. Il existe également et par ailleurs des tamis melé- culaires à structure microporeuse, connus sous le nom de zéolithes. Il s'agit d'alumino-silicates naturels ou artificiels. On les utilisait Jusqu'ici comme agents de vide, grâce à leur caractéristique de retenir, dans leurs micropores, de très grandes quantités de gaz, et notamment de gaz lourds, comme précisément le gaz carbonique C02. Après s'être penchée sur les raisons de cette qualité des zéolithes, la demanderesse a eu l'idée de les utiliser dans les générateurs laser comme supports de catalyseurs du type hopealite, malgré le fait que leur propriété de rete- nir les gaz ait Jusqu'ici été considérée comme un incenvé- nient pour les lasers. L'invention concerne donc un générateur laser du type mentionné ci-dessus, comprenant en outre un catalyseur pour empêcher la dégradation du gaz, caractérisé par le fait que ledit catalyseur est reçu sur un support zéolithique dispo- sé dans une partie chaude du générateur communiquant avec la cavité résonante. Grâce à l'invention, le support zéolithique retient le produit de la réaction permanente de catalyse, en l'espèce C02 si le milieu actif du laser est constitué par un mélan- ge comprenant du gaz carbonique, pour d'ailleurs le libérer sous l'action de la chaleur. En fait, l'absorption et la libération du gaz carbonique interviennent concomitamment et en permanence pendant le fonctionnement du générateur. C'est par capillarité que le gaz est retenu dans les micro- pores du support zéolithique et lorsque la température s'té- lève, cette capillarité gazeuse diminue en raison de l'aug- mentation de la fluidité du gaz, ce qui provoque sa libéra- tion. Le support du catalyseur de l'invention agit donc comme un réservoir de gaz qui se remplit sous l'action de l'augmentation de la pression de gaz dans la cavité laser, et celle de l'effet laser et de la réaction de catalyse, et qui se vide dans la cavité laser sous l'action de la chaleur. Cette libération de gaz, qui augmente le gain du laser, vient compenser la perte de gain due à l'élévation de température. Ce qui est remarquable dans l'exploitation du support zéolithique de l'invention, c'est qu'on lui fait Jouer un r8le inverse de celui qu'on lui a fait Jouer Jusqu'ici, alors qu'il n'était utilisé que pour se remplir et non pour se vider. Dans une forme de réalisatien préférée du générateur de l'invention, le catalyseur est directement formé sur son support zéolithique. L'invention sera mieux cemprise à l'aide de la des- cription suivante de la forme de réalisation préférée du générateur de l'invention, en référence à la figure unique ci-annexée, qui représente une vue en coupe schématique du générateur. Le générateur laser représenté sur la figure comporte une enveloppe extérieure 1 ménageant, à lt'intérieur-un conduit 2, qui, associé à deux mireirs 4 et 5, forme une cavité résonante 3 Cette cavité est remplie dtun milieu gazeux qui, en l'espbce, est constitué par du gaz carbonique C02, en fait mélangé à d'autres gaz, par exemple CO, de l'azote,de lthélium. Le générateur utilise le pompage électrique et comper- te donc, non représentées, une source d'alimentatien et deux électrodes. Il peut s'agir d'électredes plengeant dans le conduit 2, à proximité des deux miroirs 4, 5 et entre les- quelles se crée une décharge électrique, eu dtélectrodes filiforme, pour l'une, et en forme de bande, pour l'autre, s'étendant sur la longueur et de part et d'autre du capil- laire, respectivement. Le pompage électrique s'effectue avantageusement à haute tension continue, mais pourrait aussi s'effectuer à fréquence radio. On notera que l'invention s'applique en fait à un géné- rateur i conduit quelconque, à capillaire eu non, et qutelle n'est pas limitée à un milieu gazeux comprenant du C02. Au plan général, l'invention s'applique à un générateur à cavi- té matériellement définie et chauffante. L'enveloppe 1 est conformée pour ménager une extension 6, ici en forme de manchon cylindrique d'axe perpendiculaire à celui de la cavité résonante 3, qui, en fonctionnement, constitue également une partie chaude du générateur. Le manchon 6 est raccordé au reste de l'enveloppe 1 par un épaulement annulaire 7, servant d'appui pour une car- touche catalytique 8. Par l'intermédiaire du manchon 6, servant donc de loge- ment de réception de la cartouche 8, la cavité 3 communique avec une réserve du milieu gazeux 9, à l'intérieur d'une enceinte 10 raccordée au manchon 6 par un épaulement annu- laire 11, avec interposition d'un joint d'indium 12, et à l'aide de moyens de serrage conventionnels, non représentés. La cartouche catalytique 8 comporte une enveloppe ajourée, ou grillagée, 13 servant de filtre mécanique et contenant des granules de zéolithe 14 sur lesquelles a été fixé au préalable un catalyseur, de la manière décrite ci-dessous. A partir d'une zéolithe du commerce, et celle-ci étant très avide d'eau, on la chauffe pour la sécher. On la trem- pe ensuite dans un premier bain obtenu par dissolution de permanganate de potassium dans de l'eau, et on la sèche à nouveau. On la trempe après dans un deuxième bain obtenu par dissolution de sulfate de cuivre dans de l'eau, et on la sbche encore. Les granules de zéolithe sont enfin placées dans une am- biance de vapeur d'acétone, qui décompose le permanganate de potassium et le sulfate de cuivre, pour former du bioxyde de manganèse et de l'oxyde de cuivre devant assurer la fonction d'oxydation et la fonction de catalyse, respectivement. On procède ensuite à un rinçage. Avant emploi, le cataly- seur ainsi obtenu devra être activé par chauffage à environ 2000C dans un courant d'air sec. On notera ici qu'on peut substituer au cuivre (hopcalite) de l'argent ou du cobalt, par exemple, et que, même, plusieurs de ces métaux pourraient être associés pour assurer la fonc- tion de catalyse. Au plan fonctionnel, le catalyseur transforme l'oxyde de carbone produit par l'effet laser en gaz carbonique C02, et les micropores des granules de zéolithe retiennent ce gaz carbonique pour le libérer sous l'action de la chaleur. En régime de fonctionnement du laser, les étapes suivantes se déroulent: sous l'action de l'effet laser, la cavité chauffe et le Co2 est transformé en CO; - le catalyseur incorporé dans les granules de zéolithe transforme le C0 en C02 qui est retenu dans les granules; - les granules de zéolithe, sous l'action de la chaleur, libèrent le C02 et la pression de C02 dans la cavité augmente. On notera que le maintien de la pression de C02 dans la cavité à un niveau élevé résulte de l'action cataly- tique. En l'absence de catalyseur, il se créerait un équilibre naturel C0/C0o2, avec une proportion de C0O2 non appropriée et en tous cas plus faible qu'en présence du catalyseur. Les avantages de l'invention décrite ci-dessus sont nombreux. Elle met en oeuvre un catalyseur propre, du fait de la structure mécaniquement plus solide du support utilisé. Dans le cas d'un laser à C02, celui qui a donc été considéré ci-dessus, l'action de catalyse se double d'une action dtabsorption-désorption, due, d'une part, à la sélectivité de l'absorption de la zéolithe, prépondérante pour le C0O2, et d'autre part, à la diminution de l'effet de capillarité sur la zéolithe à température élevée. Comme le gain d'un laser chute avec la température, la désorption de C02 à chaud stabilise sa puissance de sortie et assure un bon fonctionnement à chaud, tout en en prolongeant la durée de vie. Bien entendu, l'équilibre du gain dépendra de la microporosité de la zéolithe et de la quantité du matériau catalyseur incorporé dans la zéo- lithe, qui devront donc être expérimentalement mais facilement déterminées' en conséquence Enfin, il résulte de l'utilisation d'une zéolithe comme support de catalyseur, que le dispositif de refroidissement du laser, normalement indispensable, n'a plus ici de raison d'être. REVENDICATIONS 1 - Générateur laser comprenant une cavité résonante (3) remplie d'un gaz laser, des électrodes de pompage électrique pour provoquer une décharge laser dans le gaz de la cavité alors soumise à une élévation de température, et un catalyseur pour empêcher la dégradation du gaz, caractérisé par le fait que ledit catalyseur est reçu sur un support zéolitique (14) disposé dans une partie chaude (6) du générateur communiquant avec la- cavité (3). 2 - Générateur laser selon la revendication 1, dans lequel la cavité (3) est ménagée à l'intérieur d'une enveloppe (1), ladite partie chaude (6) formant une extension de cette enveloppe (1) et recevant ne cartou- che catalytique (8). 3 - Générateur laser selon la revendication 2, dans lequel ladite partie chaude (6) communique également avec une réserve de gaz laser (9). 4 - Générateur laser selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel ladite cartouche (8) comporte un filtre-enveloppe (13) contenant des granules de zéolithe (14) sur lesquelles un catalyseur a été préalablement fixé. - Générateur laser selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le catalyseur contient du bioxyde de manganèse. 6 Générateur laser selon la revendication 59 dans lequel le bioxyde de manganèse a été formé sur le sppport zéolithique tout d'abord par trempe du support dans un bain de dissolution de permanganate de potassium dans de l'eau puis par décomposition du permanganate de potassium dans une ambiance de vapeur d'acétone. 7 - Générateur laser selon l'une des revendications au mois l'un de. et 6, dans lequel le catalyseur contient -l oxyde de cuivre, d'argent, de cebalt. 8 - Générateur laser selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le gaz laser contient du gaz carbonique.