Brevet FR2611321A1 — publié le 19880826

La présente invention concerne un dispositif laser à gaz à excitation électrique de haut rendement, grâce à la séparation des fonctions d'excitation et de génération électronique résultant de l'asservissement destabilisant du niveau inférieur métastable à générer des électrons nécessaires à l'excitation collisionnelle, grâce à l'introduction dans le milieu gazeux d'un gaz auxiliaire remplissant la fonction de désexcitation du métastable par ionisation. Les lasers à gaz constituent une famille importante tant par le nombre de raies connues (plusieurs milliers) que par leurs applications industrielles et scientifiques. L'homogénéité naturelle du milieu gazeux confère à ces lasers les propriétés optiques de directivité et de plreté spectrale remarquables. Une autre propriété fondamentale intéressante est leur possibilité de fonctionner en continu. Cependant, à quelques rares exceptions près, ces lasers présentent un handicap grave : rendement très médiocre et puissance faible. Deux causes essentielles de ce défaut peuvent être relevées. La première, qui est fondamentale, réside dans le fait que le niveau inférieur des transitions est un niveau métastable, selon deux cas possibles - le niveau est un métastable véritable de longue durée de vie, la transition de ce dernier vers le niveau fondamental étant interdite par la règle de sélection. - le niveau est un faux métastable caractérisé par l'effet connu sous le nom d'emprisonnement de photons absorbés par la population du niveau fondamental venant ainsi saturer ledit faux métastable. Cette saturation du niveau métastable, à travers le processus d'absorptions en cascade, inhibe toutes les émissions stimulées de transition entre deux quelconques des niveaux supérieurs, y compris et surtout entre le métastable et le niveau immédiatement au-dessus de ce dernier. A cet égard il est bien connu que, dans le cas du laser à néon pris comme exemple, l'inversion de population entre les deux ensembles de niveaux 2p et is (selon les notations de PASCHEN) est impossible en fonctionnement en continu à cause du caractère métastable des niveaux ls, et que par contre en décharge impulsionnelle brève, la même inversion est forte (laser He-Ne en super-radiant), ce qui prouve que les populations transitant par les niveaux 2p sont très grandes, ce qui aurait pu être exploité si l'attention avait été portée sur l'utilisation du métastable au lieu de les éviter (les transitions dans ce laser sont habituellement choisies loin des niveaux ls telles que 3p ou 3p sRp par exemple).Or la préoccupation ha- bituelle mettait l'accent sur l'excitation des niveaux supérieurs et consi dérait la destabilisation du métastable comme une amélioration accessoire, bien que cela soit une necessité aussi primordiale, sinon la plus importante. On sait aussi que l'utilisation du tube capillaire en vue de provoquer les collisions contre les parois n'a pas apporté de grande amélioration au rendement des lasers à gaz. A cette occasion on peut remarquer que si les mêmes effets de destabilisation étaient réalisés en volume, ces ef- fets seraient beaucoup plus efficaces car les centres actifs concernés y sont beaucoup plus nombreux. Par ailleurs, la petitesse du diamètre, et par voie de conséquence, du volume de gaz participant à 1' émission laser, ne permet pas d'avoir une puissance élevée.Cela pourrait d'autre part être expliqué par l'observation du fait que si le tube capillaire a une grande brillance bien connue, l'énergie y étant localement condensée, c'est au prix d'une dépense d'énergie élevée (dont une partie non négligeable est gaspillée à arracher les particules des parois du tube utilisé), avec un bilan global qui reste faible. La deuxième cause du mauvais rendement, apparemment indépendante de la précédente du fait de la conception courante traditionnelle, se trouve dans le mode d'excitation. Dans les lasers à gaz classiques, l'excitation des centres actifs du gaz se fait par collision électronique, de ce fait il faut générer une quantité suffisante d'électrons. L'énergie nécessaire à cette génération est uniquement puisée dans la source extérieure au lieu de 1' être dans le réservoir d'énergie que constituent les niveaux métastables. De ce fait les deux fonctions d'excitation et de génération d'électrons nécessaires à ladite excitation sont confondues en une seule, dans la décharge dite disruptive. Dans la décharge disruptive, une très grande parite de l'énergie ainsi que les électrons générés se trouvent concentrés dans la région cathodique, cette région est à 1 'origine de beaucoup de pertes dûes aux recombinaisons incessantes et aussi d'électrons trop rapides et inefficaces. Le dispositif selon l'invention permet d'apporter une solution radicale à ces deux problèmes en les englobant dans un même concept - l'asservissement par destabilisation, du métastable à la génération d'électrons nécessaires à l'excitation des centres actifs sous l'action du champ électrique. Son mode d'action consiste en ce qu'un électron en engendre plusieurs autres par l'intermédiaire du rayonnement laser même, permettant de compenser les recombinaisons dûes aux électrons inefficaces ou épuisés (de leur énergie). Selon ce concept de l'invention, le métastable jusque là inutile (ou plutôt inutilisé) et gênant est désormais chargé de générer les électrons de façon gratuite, permettant à l'énergie électrique de fournir du travail uniquement rentable, et par voie de conséquence au rendement de s'approcher de sa valeur théorique maximale.Ce concept vise aussi à se dégager de la conception traditionnelle qui consiste à utiliser les collisions contre les parois pour neutraliser le métastable en employant un tube de faible diamètre qui ne permet d'avoir la puissance quau prix d'une longueur très grande, donc technologiquement compliquée. I1 vise en même temps à permettre un régime de fonctionnement plus harmonieux. Enfin, il vise à permettre une excitation moins sélective donc plus facile pour atteindre le seuil d ' inversion (car le niveau inférieur, grâce au dispositif de l'invention, se vide en permanence), surtout lorsqu'on choisit comme transition laser la dernière, c'est-à-dire celle entre le métastable et le niveau immédiatement au-dessus de ce dernier. A cette fin, selon la caractéristique primordiale de l'invention, le milieu gazeux contenu dans la cavité de résonnance optique est composé de trois gaz (T, G, D) tels que - G est le gaz principal tel que le gaz C des centres actifs (se définissant comme étant les particules dont les niveaux sont utilisés pour déclencher l'émission stimulée du rayonnement laser) en est issu, et ceci sous trois formes possibles selon les cas pratiques, soit à l'état naturel c'est-à-dire G lui-même en tant que tel, soit sous la forme de G à l'état ionisé, soit enfin sous la forme d'un produit de réaction chimique ou de dissociation. - T est un gaz d'appoint qui sert à renforcer l'excitation de C par transfert d'énergie par collision ou par l'intermédiaire de photons. I1 peut être constitué d'un seul élément ou d'un mélange de plusieurs éléments, atomes ou molécules. - D joue le rôle primordial dans le dispositif selon l'invention il sert à désexciter les centres actifs se trouvant à l'état métastable et à fournir simultanément les électrons par ionisation par collision avec C ou par l'intermédiaire des photons émis par le métastable (faux métastable), D est constitué soit d'un élément unique soit d'un mélange de plusieurs éléments, atomes ou molécules, dont l'énergie de première ionisation est soit inférieure à l'énergie du métastable de C, ou en est proche (dans ce cas le niveau métastable de C est compris dans l'intervalle entre le niveau d'ionisation et le niveau métastable de l'élément ou des éléments de D concernés). Selon les circonstances et selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les éléments servant à former D sont choisis parmi les gaz rares, ces gaz présentant de nombreuses qualités telles que stabilité chimique, caractère élastique dans les collisions électroniques, et les niveaux métastables de ces gaz constituant, grâce à leur proximité des niveaux d'ionisation respectifs (4 électronvolts environ), un réservoir potentiel d'électrons. Selon une caractéristique essentielle de l'invention la quantité de D introduite est en proportion suffisante pour les raisons d'efficacité tout en étant compatible avec la liberté de parcours des électrons. Dans des cas pratiques éventuellement possibles et selon une autre caractéristique possible de l'invention, la quantité de D'introduite a une simple valeur mesurable. Pour des raisons de coXatibilité et selon une autre caractéristique de l'invention la pression partielle de T peut être nulle. Selon une caractéristique de l'invention, l'excitation du milieu gazeux se fait par application d'une tension électrique continue ou périodique. Selon une autre caractéristique élémentaire de l'invention, la cavité de résonnance optique contenant le milieu gazeux est un tube cylindrique classique dont le diamètre et la longueur sont déterminés selon les gammes de puissance, et dont les parois sont transparentes. Ledit tube est fermé à ses extrémités par deux miroirs formant interféromètre PEROT-FABRY dont l'un est totalement réfléchissant et 1' autre semi-réfléchissant à réflexion sélective sur une étroite bande de longueur d'onde du rayonnement laser, ou fermé par deux fenêtres transparentes inclinées sur l'axe formant angle de BREWSTER avec leurs normales respectives, les miroirs précédents étant disposés à l'extérieur, de la même façon que précéemment. Les électrodes sont disposées à l'intérieur du tube et soudées aux parois par les tiges métalliques servant à l'amenée du courant électrique ,ou à l'extérieur. Un des objets de 1 invention est de faire participer le maximum de volume gazeux au rayonnement laser pour obtenir une plus grande puissance. A cette fin selon une caractéristique préférentielle de l'invention l'excitation électrique est transversale par rapport à 1' axe, les électrodes sont alors disposées le long du tube, elles ont la forme concave cylindrique, dont l'ouverture angulaire varie autour d'une valeur moyenne de 60 degrés. En cas de nécessité et selon une caractéristique générale de 1' in- vention les électrodes pour excitation transversale peuvent être de forme non cylindrique. Un autre objet de l'invention est d'obtenir la miniaturisation des lasers à gaz. A cette fin, selon une caractéristique de l'invention, l'excitation est longitudinale, les électrodes sont alors logées dans les chambres aménagées à cet effet sur un côté du tube. En cas de nécessité et selon une autre caractéristique possible de l'invention, à l'excitation électrique peut être associée un flux photonique pénétrant par les parois latérales du tube laser. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un exemple simple de réalisation du dispositif laser qu' elle propose, en relation avec les dessins annexés correspondants, dans lesquels - la figure 1 représente la section selon un plan médian d'un tube laser avec miroirs incorporés et électrodes concaves cylindriques. - la figure 2 représente la même section d'un autre tube laser fermé par les fenêtres terminales inclinées sur laxe formant angle de BREWSTER les miroirs, étant disposés comme dans la figure 1 mais à 1' extérieur, n'y sont pas représentés. - la figure 3 représente la coupe A-A transversale des deux tubes. - la figure 4 représente une vue schématique d'un tube ouvert aux extrémités utilisé dans le cas de 1' excitation longitudinale. On y distingue : (1) le volume gazeux (2) les miroirs (3) les parois transparentes (4) les électrodes concaves pour excitation transversale (5) les électrodes pour excitation longitudinale (6) les fenêtres terminales transparentes (7) chambres pour électrodes - la figure 5 représente le diagramme des transitions entre les niveaux du néon ; les groupes de niveaux p et s y sont symbolisés par de simples traits ; les flèches représentent les transitions, la double flèche symbolise les transitions sur lesquelles la présente invention se propose de déclencher une nouvelle émission laser (en continu). Sur cette figure, on peut voir en particulier les trois raies du premier laser à néon construit en 1961 soit - 3s- > 3p à 3,39 microns - 3s- > 2,p à 0,6328 microns - 2s- > 2p à 1,15 microns Cette figure montre les transitions en cascade 3s#3p#2s#2p Les niveaux ls sont métastables. ewsymbolise l'ionisation. Dans les lasers à gaz classiques, et le laser à néon en particulier, le métastable n'est jamais choisi comme niveau d'arrivée dans une transition d'émission laser. La présente invention se propose, pour exemple, de faire fonctionner les émissions laser sur ces transitions traditionnellement impossibles mais contenant de grandes potentialités de puissance; entre les niveaux 2p et ls. Dans cet exemple, le gaz des centres actifs c'est G lui-même, ctest-à-dire le néon (Ne). Le gaz D est un mélange d'argon et de xénon. L'hélium pourrait être choisi pour T, mais il n'est pas efficace à cause du mélange d'argon et de xénon, aussi T n'est pas introduit. Les proportions suivantes sont données à titre d'exemple expérimental, sans aucun caractère définitif et sans que cela restreigne en quoi que ce soit l'étendue générale du concept du dispositif selon l'invention, soit par exemple 10 Ne : 2 Ar : 1 Xe Le fonctionnement se déroule comme suit L'excitation des atomes de néon (Ne) déclenche l'émission 2p,Sls, cette émission peuple le niveau ls de (Ne), qui se désexcite aussitôt, les atomes (Ne) étant bien entourés par ceux de (Ar) et de (Xe), provoquant l'ionisation soit d'un atome de (Ar) ou de (Xe), par collision ; le mélange (Ar, Xe) permet de mieux dégager le parcours des électrons par le processus de l'auto-désexcitation par collision. La présente invention permet d'élargir le domaine d'applications industrielles et scientifiques déjà très vaste, à l'artisanat tel que la couture et éventuellement à l'industrie des jouets. REVENDICATIONS 1) Dispositif laser à gaz à inversion de population par desta- bilisation du niveau inférieur métastable, à excitation et génération d'électrons séparées, par asservissement dudit métastable, caractérisé en ce que le milieu gazeux (1) est composé de trois gaz (T, G,D) tels que-: - G est le gaz principal tel que le gaz désigné par C des centres actifs (se définissant comme étant les particules dont les niveaux d'énergie sont responsables de 1 'émission de rayonnement laser par transition) en est issu, et ceci sous trois formes possibles selon les cas pratiques, soit à 1 'état naturel c'est-à-dire G lui-même en tant que tel, soit sous la forme de G à l'état ionisé, soit enfin sous la forme d'un produit de réaction chimique ou de dissociation. - T est un gaz d'appoint qui sert à renforcer l'excitation de C par transfert d'énergie par collision ou par l'intermédiaire des photons. I1 peut être constitué d'un seul élément ou d' un mélange de plusieurs éléments, atomes ou molécules. - D joue un rôle central primordial dans le dispositif selon l'invention,il sert à désexciter les centres actifs se trouvant à l'état métastable et à fournir simlltan-TPnt les électrons par ionisation par collision avec C ou par l'intermédiaire des photons (dans le cas où le métastable est un faux métastable) .A cet effet,il est constitué soit d'un seul élément, soit d'un mélange de plusieurs éléments, atomes ou molécules, dont la énergie de première ionisation est soit inférieure à l'énergie du métastable,ou en est assez proche (dans ce dernier cas le niveau métastable de C est situé dans l'intervalle entre le niveau d'ionisation et le niveau me- tastable de l'élen t ou des éléments de D concernés). 2) Dispositif selon la revendication 1) caractérisé en ce que le gaz D est en proportion suffisante. 3) Dispositif selon la revendication 1) caractérisé en ce que la quantité de D nécessaire a une valeur simplement mesurable. 4) Dispositif selon chacune des revendications précédentes caractérisé en ce que la pression partielle de T est nulle. 5) Dispositif selon chacune des revendications précédentes caractérisé en ce que l'excitation électrique, qui peut être transversale ou longitudinale, se fait par application d'une tension continue ou périodique, aux électrodes internes ou externes (4) ou aux électrodes (5). 6) Dispositif selon chacune des revendîctions précédentes caractérisé en ce qu'à l'excitation électrique est associé un flux photonique pénétrant par les parois (3).