Brevet FR2590733A1 — publié le 19870529

L'invention concerne un laser à transfert d'énergie de vibration. nn connait des lasers à transfert d'énergie de vibration dans lesnuels on excite un premier gaz, nar exemple par une décharge électrique, de manière fournir ses molécules une énergie de vibration, on mélange ce premier gaz excité à un deuxième gaz de maniere à transférer l'énergie de vibration des molécules du premier à celles de ce deuxième gaz, et on inclut au moins ce deuxième gaz dans un système optique, oar exemple une cavité optique résonnants, Dour provoquer une émission stimulee de lumière nar ce deuxième az. Le choix du couple des deux gaz utilisés dépend évidemment, de manière indissoluble, des transitions énergétiques utilisables dans les spectres des deux gaz, pour assurer les fonctions suivantes : excitation du premier gaz, cession d'energie par le premier gaz lors de l'interaction moléculaire, acception d'énergie nar le deuxième gaz lors de l'interaction moléculaire, émission de lumière par le deuxième gaz. Il est connu que le premier gaz oeut être nar exemple l'azote, et le deuxième l'oxyde de carbone CO, le gaz carbonique C02, ou le protoxyde d'azote N20. L'excitation du premier gaz peut résulter non d'une décharge électrique mais d'une réaction chimique par laquelle ce premier gaz est formé très peu de temps avant le transfert d'énergie de vibration au deuxième gaz. Il est alors connu que ce premier gaz neut etre l'hydrure de deutérium DF ou l'acide bromhydrique HBr, le deuxième gaz étant le gaz cartonique C02. La nrksente invention a pour but la réalisation d'un laser à transfert d'6nerPie de vibration fournissant une lumière dont la longueur d'onde varie en fonction de la température de fonctionnement du laser. Elle a cour objet un laser à transfert d'énergie de vitration comportant des moyens pour exciter un prenier gaz en fournissant à ses molécules une énergie de vibration, pour me langer ce premier gaz excité à un deuxième gaz de manière à transférer l'énergie de vibration des molécules de ce premier saz aux molécules de ce deuxième gaz et cour inclure au moins ce deuxième gaz dans un système optique permettant une émission stimulée de lumière par ce deuxième gaz, caractérisé nar le fait que ledit deuxième gaz est l'acide chlorhvdrique HCl, ledit premier gaz étant choisi dans le groupe constitue par le deutérium, l'hydrogène, l'azote et un mélange de deutérium, d'hydro- gène et d'azote. A l'aide de la figure schématique unique ci-jointe, on va décrire ciaprès, à titre non limitatif, un mode de mise en oeuvre de l'invention. La fieure unique représente uns vue en coupe d'un laser selon l'invention. re laser comporte une enceinte parallélipipédique isolante 2, d'un mitre de lnn, et de section carrée de S cm de cOte, contenant un mélange de deu terbium sous une nression comprise entre 200 et 1000 torrs environ, nar exemple 400 torrs, et d'acide chlorhydrique sous une pression comprise entre 0,5 % et 5 > de celle du deutérium, par exemple 8 torrs.Une paroi latérale 4 de l'enceinte 2 est transparente nour des électrons produits nar un canon à électrons fi, du type à cathode froide, avec une énergie comprise entre 100 et 300 keV, par exemple 150 KeV, et une densité de courant supérieure à 1,5 AS cm2, par exemple 1,7 A/cm2, pendant un temps compris entre 0,5 et 5 microsecondes, par exemple 2 microsecondes. Vers la fin de l'irradiation de l'enceinte 2 par le canon à électrons 6, une décharge électrique est créée à travers l'enceinte 2 entre une cathode K en forme de grille disposée dans l'enceinte 2 au voisinage de la paroi 4, sur toute la surface de celle-ci, et une anode A en forme de plaque dispose au voisinage de la paroi opposée à la paroi 4. Cette décharge, d'une énergie au moins étale à 200 Joules par litrs du volume de l'enceinte, est déclenchée oar un éclateur E à partir d'un condensateur C d'une capacité de 7 microfarads, par exemple, luismeme étant préala- blement chargé sous une tension de 15 à 20 kV par exemple par un générateur G à travers une résistance R. Les parois extrêmes de l'enceinte 2 sont occupées par deux fenêtres 12 et 13 transparentes au rayonnement infrarouge. et inattaquables par l'acide chlorhydrique, et constituées par exemple de chlorurs de sodium NaCl. En dehors de l'enceinte 2 et en regard des fenêtres 12 et 13 sont disposés un miroir 8 à coefficient de réflexion voisin de l'unité, et un miroir 10 ayant un coefficient de transmission assez faible, par exemple de 10 t. Les miroirs 8 et 10 constituent une cavité optique résonante permettant l'apparition d'une oscillation laser. I1 est cependant bien évident que la présente invention s'applique aussi bien à un amplificateur laser qu'à un générateur. Le générateur qui vient d'entre décrit permet d'obtenir des impulsons d'une durée comprise entre 3 et 10 microsecondes. dont l'énergie est d'au moins dix Joules, par exemple 15 Joules, par litre du volume utile de l'en- ceinte 2. Dans le générateur laser décrit ci-dessus. le deutérium D2 peut etre rsmplacé par l'hydrogène H2 ou l'azote N2 ou un mélange de deutérium, d'hydro- gène et d'hélium. Le générateur laser peut être muni avantageusement d'un disnositif pour faire circuler dans l'enceinte le mélange d'acide chlorhydrique et de deutérium perpendiculairsment à le direction de la décharge électrique. De tals dispositifs sont bien connus et ne seront donc pas décrits ici. La longueur d'onde de la lumière émis par le générateur laser selon l'invention dépend essentiellement de la tsmpérature de fonctionnement. A la temnérature ambiante, et dans les conditions particulières décrites ci-dessus, il a été obtenu une émission laser simultanément sur les longueurs d'onde de 9,37 et de 9,58 microns. A une température de fonctionnement d'environ 100 K, on neut obtenir un rayonnement dont la longueur d'onde est de l'ordre de 4 microns. La température de fonctionnement du laser neut entre abaissée en refroidissant par des moyens connus le mélange gazeux avant introduction dans l'enceinte et en refroidissant les électrodes nar une circulation d'alcool, de fréon ou d'azote liojide. flans l'exemple décrit ci-dessus. des canaux de circulation d'un fluide neuvent être ménagés dans la masse de l'anode et la grille constituant la cathode neut être formée d'une pluralité de tubes dans lesquels on fait circuler le fluide de refroidissement, Il peut être utile, dans le but de modeler les caractéristiques de la décharge électrique, d'ajouter au mélange de deutérium et d'acide chlorhydrique un gaz rare tel nue l'argon, sous une nression nui peut être inférieure ou approximativement égale à celle du deutérium. Le laser selon l'invention neut entre applique notamment a la détection des gaz pollués dans l'atmosphère. RE'!E NOICATIONS 1/ Laser à transfert d'énergie de vibration comportant des moyens pour exciter un nremier gaz en fournissant à ses molécules une énergie de vibration, pour mélanger ce premier gaz excité à un deuxième gaz de manière à transférer l'éner- gie de vibration des molécules de ce premier gaz aux molécules de ce deuxième wez et pour inclure au moins ce deuxième gaz dans un système optique permettant une Omission stimulée de lumière car ce deuxième gaz, caractérisé par le fait que ledit deuxième gaz est l'acide chlorhydrique HCl, ledit premier gaz étant choisi dans le groupe constitué par le deutérium D2, l'hydrozène H2, l'azote N2 et un mélange de deutérium, d'hydrogène et d'azote. 2/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour exciter un premier gaz et le mélanger à un deuxième gaz comportent - une enceinte d'excitation, - des moins pour alimenter cette enceinte avec un mélange gazeux de deutérium et d'acide chlorhydrique, - un canon à électrons pour envoyer dans cette eneinte uns impulsion formée d'électrons d'une énergie comprise entre 100 et 300 keV, - et des moyens pour provoquer dans cette enceinte, vers la fin de l'impulsion du canon à électrons, une décharge électrique d'une énergie au mins égale à 200 Joules par litre du volume de l'enceinte. 3/ Laser selon la revendicatlon 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour alimenter cette enceinte avec un mélange gazeux de deutérium et d'acide chlorhydrique sont des moyens pour faire circuler ce mélange dans l'enceinte dans une direction sensiblement perpendiculaire à celle de la décharge électrique. 4/ Laser selon la revendication 2, caractérisé par le fait que, lesdits moyens pour provoquer dans cette enceinte une décharge électrique comprenant deux électrodes, il comporte en outre des moyens de refroidissement de ces électrodes et des moyens pour refroidir ledit mélange gazeux alimentant l'enceinte. 5/ Laser selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la pression de deutérium dans ledit mélange gazeux est comprise entre 200 et ioeo torrs, la pression d'acide chlorhydrique, butant comprise entre 0,5 % et 5 t de celle du deutérium, la densité de courant fournie nar ledit canon à électrons étant supérieure à 1,5 A/cm2 pendant un temps compris entre 0,5 et 5 microsecondes. 6/ Laser selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit mélange gazeux comporte en outre de l'argon.