Brevet FR2629648A1 — publié le 19891006

-1- Procédé pour créer par voie chimique un faisceau laser continu de lon- gueur d'onde 1,315 micron La présente invention concerne un procédé pour créer par voie chimique un faisceau laser continu de longueur d'onde 1, 315 micron, ce procédé étant d'un type comportant successivement - une étape de formation d'un premier gaz, - une étape d'introduction d'un deuxième gaz dans le premier gaz, ce deuxième gaz comprenant de l'iode moléculaire, le premier gaz interagis- sant avec l'iode moléculaire de façon à provoquer la formation d'un troisième gaz contenant des atomes d'iode excités, - et une étape de passage du troisième gaz à travers une cavité optique résonnante afin d'obtenir ledit faisceau laser. Un procédé de ce type est décrit dans le document US-A-4.267.526. Dans ce procédé le premier gaz est constitué par de l'oxygène moléculaire excité dans l'état électronique. Cet oxygène excité est produit en faisant réagir du chlore gazeux sur de l'eau oxygénée. Il est possible de réaliser des générateurs laser continus fonctionnant par transfert à l'iode de l'énergie d'excitation de l'oxygène, mais ce procédé connu présente plusieurs inconvénients: - la réaction qui produit l'oxygène excité produit aussi de l'eau qu'il importe d'éliminer, cette élimination étant effectuée à l'aide d'un dis- positif cryogénique qui complique l'installation de façon importante, - la pression des gaz pendant le fonctionnement est très faible, de l'ordre de 2 à 3 torrs; un laser de ce type, de forte puissance, placé dans le milieu ambiant à la pression atmosphérique, exige des moyens de pompage très importants, étant donné que l'écoulement des gaz du laser s'effectue à vitesse subsonique et ne permet donc pas une recompression dans un diffuseur. - le coefficient d'amplification laser est faible, de 0,1% par centi- mètre environ. La présente invention a pour but de palller ces inconvénients. Elle a pour objet un procédé du type spécifié plus haut, caracté- risé en ce que - le premier gaz comporte du fluor atomique, - et que le procédé comporte, entre l'étape de formation du premier gaz et l'étape d'introduction du deuxième gaz, une étape de détente du - 2 - premier gaz dans des tuyères supersoniques, l'introduction du deuxième gaz étant effectuée Juste à la sortie des tuyères. Une forme particulière d'exécution de l'objet de la présente invention est décrite ci-dessous, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente en coupe longitu- dinale un laser chimique mettant en oeuvre le procédé selon la présente invention. Sur cette figure, on voit une enceinte parallélépipédique 1 qui comporte sur une face 2 trois injecteurs de gaz 3, 4 et 5. La paroi opposée de l'enceinte 1 est formée de tuyères Juxtaposées telles que 6, dont les axes sont parallèles entre eux -. Les cols 7 des tuyères 6 sont disposés dans un plan 8 à mi-épaisseur de cette paroi. La section de ces cols a de préférence la forme d'un rectangle allongé perpendiculairement au plan de la figure, les rectangles étant justaposés suivant leurs grands côtés. Les tuyères 6 délimitent avec la face 2, le long d'une surface latérale 9 de l'enceinte 1, une chambre de combustion 10. Chaque tuyère telle que 6 comporte du c8té de la chambre 10 une entrée sensiblement parallélépipédique dont la section se rétrécit lors- qu'on se rapproche du col 7, cette entrée étant suivie au delà du col par une sortie évasée. Dans l'épaisseur des parois des tuyères sont disposés des orifices évasés tels que 11 débouchant à l'extérieur de la chambre 10. Ces ori- fices sont raccordés par des canalisations à un canal d'amenée de gaz 12 relié à un récipient 13, comportant une ouverture 14 d'entrée de gaz. La surface latérale 9 comporte un prolongement 15 au-delà des tuyères 6 pour former une chambre de détente 23, ce prolongement se terminant par un diffuseur 16. Sur les parois du prolongement 15 sont fixés deux miroirs opposés 17 et 18 formant une cavité optique réson- nante dont l'axe 19 est perpendiculaire à la direction des axes des tuyères 6. Le miroir 17 est totalement réfléchissant tandis que le miroir 18 est partiellement transparent. Le laser représenté sur la figure fonctionne de la manière sui- vante. On introduit dans la chambre 10 par les injecteurs 3, 4 et 5 un -3mélange de gaz comprenant du deutérium, un comburant fluoré tel que le fluor moléculaire ou le trifluorure d'azote et un gaz neutre tel que l'argon ou l'hélium. Si le comburant est du fluor, la combustion avec le deutérium s'amorce spontanément. Si le comburant est le trifluorure d'azote; il est nécessaire d'amorcer la combustion par un dispositif électrique (non représenté) analogue à une bougie d'allumage d'un moteur à explosion. La combustion provoque une dissociation du comburant fluoré et permet d'obtenir dans la chambre un mélange contenant du fluor atomi- que et de l'acide fluorhydrique deutéré DF dilués dans le gaz neutre, à une pression de quelques bars et à une température supérieure à 1500 K. Ce mélange est détendu et refroidi en passant à travers les tuyères 6 à une vitesse supersonique dans le sens de la flèche 20. Simultanément on injecte un gaz neutre tel que l'argon à travers l'ouverture 14 du récipient 13 dans lequel ont été préalablement intro- duits des cristaux d'iode 21. L'argon chargé de vapeur d'iode s'écoule dans le conduit 12 dans le sens de la flèche 22 de façon à être injecté dans la chambre de détente 23 parallèlement à la flèche 20 juste à la sortie des tuyères 6. Pour obtenir une pression de vapeur d'iode suffi- sante et pour éviter la condensation de l'iode sur les parois froides de la chambre 23, le récipient 13 peut être muni d'un dispositif de chauf- fage (non représenté) capable de porter sa température à 50 C environ ou plus. Le fluor atomique réagit sur l'iode moléculaire pour former de liode atomique excité à l'état 2 p suivant la réaction exothermique 1/ F + I2 >IF + I Le mélange gazeux contenant l'iode excité traverse la cavité opti- que 17-18, ce qui provoque la formation d'un faisceau laser continu 24 à la longueur d'onde de 1,315 micron. Il est important d'utiliser du deutérium comme combustible dans la réaction avec le comburant fluoré pour former des atomes de fluor. En effet si on utilisait de l'hydrogène, la réaction de combustion produi- rait de l'acide fluorhydrique HF. Or à cause de leur fréquence de vibra- tion, les molécules HF présentes dans la chambre de détente pourraient _4_ échanger de l'énergie avec l'iode atomique excité. Il en résulterait alors une diminution considérable de l'amplification laser à la longueur d'onde 1,315 micron. Ce phénomène d'échange d'énergie ne se produit pas avec les molécules DF formées au cours de la combustion du deutérium avec le comburant fluoré. Le fluor atomique peut être produit non seulement par combustion du deutérium avec un comburant fluoré, mais aussi par dissociation d'un composé fluoré tel que F2, NF3 et SF6 par une décharge électrique. A titre indicatif dans l'exemple illustré par la figure, le mélange gazeux dans la chambre de combustion peut contenir en volume 10% de fluor atomique, 10% d'acide fluorhydrique deutéré et 80% d'argon. Ce mélange est détendu par passage dans les tuyères, jusqu'à une tempéra- ture de 250 K. La vitesse des gaz dans les tuyères est de Mach 2,5. La pression des gaz dans la chambre de détente est de 5 à 10 torrs et la vitesse d'écoulement des gaz dans cette chambre est de 700 m/s. Dans ces conditions le coefficient d'amplification laser à 1,315 micron est de l'ordre de 1 à 2% par cm et s'étend sur une longueur de plus de 5 cm. Les coefficients d'amplification ci-dessus sont supérieurs d'un ordre de grandeur à ceux obtenus avec les lasers décrits dans le brevet américain précité. Le procédé selon l'invention présente l'avantage de produire directement des atomes d'iode excités, sans formation d'eau. Le procédé selon l'invention présente également l'avantage de per- mettre la sortie directe des gaz à la pression atmosphérique en utilisant un diffuseur et un éjecteur à gaz. Le procédé selon l'invention permet de réaliser des lasers à iode dont la puissance spécifique est comparable à celle des lasers chimiques HF/DF à combustion. -5 REVENDICATIONS 1/ Procédé pour créer par voie chimique un faisceau laser continu de longueur d'onde 1,315 micron, comportant successivement - une étape de formation d'un premier gaz, - une étape d'introduction d'un deuxième gaz dans le premier gaz, ce deuxième gaz comprenant de l'iode moléculaire, le premier gaz interagis- sant avec le deuxième gaz de façon à provoquer la formation d'un troi- sième gaz contenant des atomes d'iode excités - et une étape de passage du troisième gaz à travers une cavité optique résonnante afin d'obtenir ledit faisceau laser, caractérisé en ce que - le premier gaz comporte du fluor atomique - et que le procédé comporte entre l'étape de formation du premier gaz et l'étape d'introduction du deuxième gaz, une étape de détente du premier gaz dans des tuyères supersoniques (6), l'introduction du deuxième gaz étant effectuée Juste à la sortie des tuyères. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en -ce que l'étape de formation du fluor atomique comporte une combustion de deutérium avec un comburant fluoré. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le comburant fluoré est du fluor moléculaire. 4/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le comburant fluoré est NF3. 4/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la combustion de deutérium avec un comburant fluoré s'effectue dans un gaz neutre. / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième gaz comporte un gaz neutre.